universidad de san carlos de guatemala facultad de ingeniería escuela de … · 2016. 5. 19. ·...
TRANSCRIPT
Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica
DISEÑO DE UN GENERADOR DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA PARA EL CENTRO
UNIVERSITARIO DE NOR-OCCIDENTE (CUNOROC), UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE
GUATEMALA, BAJO LA NORMATIVA DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA
José Fernando Chávez Villatoro
Asesorado por el Ing. Otto Fernando Andrino González
Guatemala, julio de 2015
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DISEÑO DE UN GENERADOR DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA PARA EL CENTRO
UNIVERSITARIO DE NOR-OCCIDENTE (CUNOROC), UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE
GUATEMALA, BAJO LA NORMATIVA DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA
TRABAJO DE GRADUACIÓN
PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA
FACULTAD DE INGENIERÍA
POR
JOSÉ FERNANDO CHÁVEZ VILLATORO
ASESORADO POR EL ING. OTTO FERNANDO ANDRINO GONZÁLEZ
AL CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
GUATEMALA, JULIO DE 2015
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA
DECANO Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco
VOCAL I Ing. Angel Alberto Sic García
VOCAL II Ing. Pablo Christian de León Rodríguez
VOCAL III Inga. Elvia Miriam Ruballos Samayoa
VOCAL IV Br. Narda Lucía Pacay Barrientos
VOCAL V Br. Walter Rafael Véliz Muñoz
SECRETARIA Inga. Lesbia Magalí Herrera López
TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO
DECANO Ing. Jorge Mario Morales González
EXAMINADOR Ing. Enrique Edmundo Ruiz Carballo
EXAMINADOR Ing. Luis Alberto Maldonado Salazar
EXAMINADOR Ing. Otto Armando Girón Estrada
SECRETARIO Ing. Edgar José Bravatti Castro
S
g
T
En cumplim
San Carlo
graduación
DISEÑO
UNIVERSITAGU
Tema que
Mecánica E
HONO
miento con
os de Gua
n titulado:
O DE UN GENARIO DE NOUATEMALA,
me fuera
Eléctrica, co
ORABLE
los precep
atemala, p
NERADOR DOR-OCCIDEN
BAJO LA NO
asignado
on fecha 14
TRIBUNA
ptos que es
presento a
DE ENERGÍA TE (CUNOROORMATIVA D
por la Dire
4 de septiem
AL EXAM
stablece la
a su cons
A FOTOVOLTOC), UNIVERDE GENERA
ección de
mbre de 20
MINADOR
a ley de la
sideración
TAICA PARA RSIDAD DE S
ACIÓN DISTR
la Escuela
014.
R
Universida
mi trabajo
EL CENTROSAN CARLO
RIBUIDA
a de Ingen
ad de
o de
O S DE
niería
ACTO QUE DEDICO A:
Dios
Mis padres
Mis hijas
Mis hermanos
Por ser la fuerza que me impulsó cada
momento a seguir adelante.
Artemio Chávez y Lidia de Chávez, su amor y
dedicación serán siempre mi inspiración.
María Fernanda y María Andrea Chávez, por
ser dos ángeles inspiradores en mi vida.
Rossana, Francis y Claudia Chávez Villatoro,
por estar ahí siempre.
AGRADECIMIENTOS A:
Universidad de San
Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería
Mis amigos de la
Facultad
Por ser el lugar donde se me concedió el
privilegio de aprender e impulsar mis objetivos.
Por ser una importante influencia en mi carrera
y referencia de superación y nivel académico.
A los que en todos los periodos y fases de mi
carrera fueron partícipes y me influenciaron.
I
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES .......................................................................... VII
LISTA DE SÍMBOLOS ....................................................................................... XI
GLOSARIO ...................................................................................................... XIII
RESUMEN ........................................................................................................ XV
OBJETIVOS .................................................................................................... XVII
INTRODUCCIÓN ............................................................................................. XIX
1. INCIDENCIA DE LA GENERACIÓN FOTOVOLTAICA EN EL MEDIO
AMBIENTE ............................................................................................... 1
1.1. Antecedentes ............................................................................. 1
1.1.1. Cambio climático ...................................................... 6
1.1.2. Protocolo de Kioto .................................................... 8
1.2. Estado y procedencia de la generación eléctrica en
Guatemala ............................................................................... 10
1.2.1. Historia de la electrificación en Guatemala ............. 10
1.2.1.1. Guatemala con potencial para
generar electricidad limpia ................... 17
1.2.1.2. Inversión en energía solar ................... 18
1.2.1.3. Incentivos para energía limpia ............. 19
1.2.1.4. Potencia adjudicada en proceso de
licitación a largo plazo ......................... 21
1.2.2. El sector la energía en Centroamérica. Aspectos
generales (2013) ..................................................... 21
1.2.2.1. El sector la energía .............................. 22
1.2.2.2. Algunas noticias relevantes recientes .. 24
II
1.2.2.3. Ventajas y desventajas de la
generación solar ................................... 25
1.2.2.3.1. Ventajas ........................ 25
1.2.2.4. Reflexiones finales ............................... 27
2. BASES PARA LA GENERACIÓN ELÉCTRICA FOTOVOLTAICA ......... 29
2.1. Proceso de conversión de luz solar en energía eléctrica ......... 29
2.1.1. El Sol como fuente de energética ............................ 30
2.1.2. Constante solar ....................................................... 33
2.1.3. Componentes de la radiación solar ......................... 35
2.1.3.1. Factor AM (masa de aire) ..................... 38
2.1.3.1.1. Definiciones para
observador terrestre ...... 40
2.1.4. Variaciones de la radiación solar ............................. 44
2.1.5. Horas de pico solar ................................................. 45
2.1.6. Principios de conversión fotovoltaica ...................... 46
2.1.7. La célula fotovoltaica ............................................... 48
2.1.7.1. Tecnología fotovoltaica ........................ 50
2.1.8. Paneles solares, características y modelos de
mercado .................................................................. 54
2.1.8.1. Estructura de los paneles solares ........ 55
2.1.8.2. Características de los paneles ............. 56
2.1.8.2.1. Parámetros eléctricos
que definen un
módulo fotovoltaico ....... 56
2.2. Componentes de diseño de un generador fotovoltaico ............ 61
2.2.1. Generador fotovoltaicos conectados a red .............. 61
2.2.1.1. Definición de un sistema fotovoltaico
conectado a red .................................... 61
III
2.2.1.2. Tipos de instalaciones fotovoltaicas
conectadas a red ................................. 63
2.2.1.3. Sistemas fotovoltaicos en edificios ...... 63
2.2.1.4. Huertos o centrales eléctricas
fotovoltaicas ......................................... 65
2.2.1.5. Formas de conectarse a la red ............ 67
2.2.1.6. Tarifa fotovoltaica ................................ 67
2.2.1.7. Facturación neta .................................. 67
2.2.2. Opciones de estructura mecánica como soporte
de los paneles solares ............................................ 69
2.2.3. Inversores de corriente ........................................... 71
2.2.3.1. Configuración del inversor de red ........ 72
2.2.4. Protecciones eléctricas (NEMA) ............................. 74
2.2.5. La caja general de protección ................................. 78
2.2.6. Puesta a tierra ........................................................ 78
2.2.7. Cableado para la conexión de los equipos ............. 79
3. DISEÑO DE UN GENERADOR FOTOVOLTAICO PARA EL
CENTRO UNIVERSITARIO DE NOROCCIDENTE
(CUNOROC), UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA,
BAJO LA NORMATIVA DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA .................... 81
3.1. Determinación coordenadas geo referenciadas de la
ubicación del área donde se dispondrá el generador
fotovoltaico o huerto solar ....................................................... 82
3.2. Estimación de radiación o irradiancia en los puntos
previamente seleccionados ..................................................... 84
3.3. Determinación de carga eléctrica instalada y consumo real .... 85
3.4. Investigación sobre equipos fotovoltaicos disponibles en el
mercado ................................................................................... 85
IV
3.5. Dimensionado de los componentes y cálculo de
presupuesto del GFV ............................................................... 87
3.5.1. Características principales del GFV ........................ 88
3.5.2. Paneles solares ....................................................... 90
3.5.3. Estructura de soporte y fijación en las áreas
dispuestas ............................................................... 90
3.5.4. Inversor y topología del GFV ................................... 92
3.5.5. Sistema de cableado, conexiones y ductería .......... 96
3.5.5.1. Cableado de corriente continua (CC) ... 96
3.5.5.2. Cableado corriente alterna (CA) ........... 99
3.5.5.3. Conexiones .......................................... 99
3.5.5.4. Ductería .............................................. 100
3.6. Protecciones y tierras físicas .................................................. 100
3.6.1. Protecciones CA y CD ........................................... 101
3.6.1.1. Protecciones de corriente continua
(CC o CD) ........................................... 102
3.6.1.2. Protecciones de corriente alterna ....... 104
3.6.2. Sistema de tierra física .......................................... 107
3.6.2.1. Puesta a tierra de la instalación
fotovoltaica conectada a red ............... 108
3.7. Marco legal ............................................................................. 111
3.7.1. Norma técnica de generación distribuida
renovable y usuarios autoproductores con
excedentes de energía (NTGDR) .......................... 111
4. MEDIDORES O CONTADORES BIDIRECCIONALES, ANÁLISIS
ENERGÉTICO ...................................................................................... 115
4.1. Análisis energético ................................................................. 116
4.1.1. Presupuesto desglosado del diseño establecido ... 118
V
4.2. Observaciones adicionales .................................................... 119
CONCLUSIONES ........................................................................................... 121
RECOMENDACIONES ................................................................................... 125
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 127
APÉNDICES ................................................................................................... 129
ANEXOS ......................................................................................................... 139
VI
VII
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
FIGURAS
1. Hidroeléctrica Palín II ........................................................................... 11
2. Hidroeléctrica Santa Maria ................................................................... 12
3. Hidroeléctrica Jurún Marinalá ............................................................... 14
4. Hidroeléctrica Aguacapa ...................................................................... 15
5. Hidroeléctrica Chixoy ........................................................................... 16
6. Evolución matriz energética 2007-2013 ............................................... 20
7. Consumo de energía 2013 ................................................................... 20
8. El sector la energía en Centroamérica. Aspectos generales (2013) .... 22
9. Proceso de conversión de luz solar en energía eléctrica ..................... 32
10. Componentes de la radiación solar ...................................................... 38
11. Trayectorias solares ............................................................................. 39
12. Trayectoria solar durante el día ............................................................ 41
13. Diseño de un sistema fotovoltaico para la generación de energía
eléctrica en el Cobaev .......................................................................... 43
14. Media de horas solares pico ................................................................ 46
15. Efecto fotovoltaico ................................................................................ 47
16. Aerogeneradores ................................................................................. 48
17. Célula fotovoltaica ................................................................................ 49
18. Energia solar fotovoltaica y sus aplicaciones ....................................... 59
19. Comportamiento eléctrico de un módulo .............................................. 60
20. Curva V-I en función de la temperatura ................................................ 61
21. Esquema sistema fotovoltaico conectado a red ................................... 62
22. Edificio con fachada fotovoltaica .......................................................... 65
VIII
23. Huerto solar fotovoltaico ....................................................................... 66
24. Soportes utilizados en los paneles solares ........................................... 70
25. Ubicación del Cunoroc y área dispuesta ............................................... 83
26. Topología esquemática ......................................................................... 95
27. Parte posterior panel solar 300 w mostrando caja de conexiones y
cables de corriente continua ................................................................. 98
28. Fusible de corriente continua y símbolo normalizado ......................... 103
29. Esquema instalación puesta a tierra ................................................... 109
30. Análisis energético .............................................................................. 117
TABLAS
I. Actividades económicas y de consumo .................................................. 4
II. Actividades económicas ......................................................................... 5
III. Notable avance de las FRE (fuentes renovables de energía) .............. 23
IV. Ventajas y desventajas de la energía solar .......................................... 26
V. Longitud de onda y energía de los rayos ultravioleta ............................ 33
VI. Variación de la radiación incidente con la altitud .................................. 35
VII. Influencia de las condiciones climatológicas en la radiación
incidente ............................................................................................... 35
VIII. Eficiencia y área de los materiales utilizados en las celdas solares ..... 51
IX. Comparativo en la producción fotovoltaica del 2006 ............................. 52
X. Tabla comparativa de celdas solares según su tecnología ................... 54
XI. Datos generales de entrada y salida del convertidor de CD/CA ........... 73
XII. Datos de irradiancia y metereológicos .................................................. 84
XIII. Resumen de carga y consumo eléctrico Cunoroc ................................ 85
XIV. Paneles solares más usados en el mercado local ................................ 86
XV. Ficha básica de datos de fabricante del panel solar seleccionado ....... 87
XVI. Dimensionado y área necesaria ........................................................... 88
IX
XVII. Ficha técnica básica de inversores a utilizar ........................................ 92
XVIII. Topología o conformación generador fotovoltaico ............................... 94
XIX. Relación entre las secciones de los conductores de protección y los
de fase .............................................................................................. 110
XX. Listado de materiales y costo generador fv, Cunoroc ........................ 118
X
XI
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Significado
CA Corriente alterna
CC Corriente continua
η Eficiencia
FV Fotovoltaico
HPS Horas pico solares
n Número de aparatos del mismo tipo
Np Número de paneles
P Potencia (W)
Tipo N Semiconductor con cargas mayoritariamente
negativas
Tipo P Semiconductor con cargas mayoritariamente
positivas
V Volts, unidad de medida de caída de tensión
XII
Vdc Volts de corriente directa
W Wats, unidad de medida de potencia
Wh Watts-hora
Wp Watts pico
XIII
GLOSARIO
Acumulador Sinónimo de batería es un dispositivo utilizado
para almacenar energía en forma química.
Diodo Dispositivo electrónico que permite el paso de
corriente en una sola dirección.
Fotoeléctrico Material que permite el paso de más o menos
corriente dependiendo de la intensidad de la luz.
Fusión Evento que describe la unión de dos a más
materiales para formar un nuevo.
Panel solar Módulo diseñado para convertir la radiación solar
en electricidad.
Radiación Propagación de energía en forma de ondas
electromagnéticas por el espacio.
Silicio Material semiconductor muy utilizado para
elaborar componentes electrónicos.
Watt Unidad de potencia del sistema internacional de
medidas.
XIV
XV
RESUMEN
El presente trabajo de graduación se desarrolla inicialmente, tomando en
cuenta la influencia de la generación fotovoltaica en el medio ambiente,
específicamente la cantidad de dióxido de carbono que se deja de emitir al
ambiente. Además, como las generadoras convencionales por el tipo de
combustible que usan influyen en la contaminación. Asimismo, se muestra una
breve historia de la generación y electrificación en Guatemala, tomando como
referencia las generadoras por medio de hidroeléctricas, como referentes para
proveer energía de fuentes renovables.
Guatemala tiene un potencial para generar energía limpia y en los últimos
años la generación con energía solar o fotovoltaica ha ganado terreno.
En el capítulo 2 se describe la base teórica de todo el proceso fotovoltaico,
los elementos que participan y los criterios que se deben tomar en cuenta
desde el inicio del diseño hasta su finalización.
En el capítulo 3, se desarrolla paso a paso el ‟diseño del generador
fotovoltaicoˮ que se ha propuesto, tomando en cuenta la ubicación, área
dispuesta para su emplazamiento, características eléctricas con las que cuenta
el Cunoroc, elementos del diseño disponibles en el mercado, entre otros, de tal
manera que se cumplan con los criterios técnicos requeridos.
En el capítulo 4, se hace el análisis energético que compara la incidencia
o ventajas de este tipo de generación en la facturación final, así como también
se presenta el presupuesto. Con esto se describe el tiempo de recuperación de
XVI
la inversión y un pequeño análisis que demuestra la factibilidad de dicho
proyecto a futuro.
XVII
OBJETIVOS
General
Elaborar el diseño de un generador de energía fotovoltaica para el
Centro Universitario de Noroccidente (Cunoroc), Universidad de San Carlos de
Guatemala, bajo la normativa de generación distribuida.
Específicos
1. Determinar la incidencia de la generación fotovoltaica en el medio
ambiente y sus efectos. Ventajas y desventajas.
2. Proveer la base teórica de los componentes que conforman un
generador fotovoltaico y la tecnología existente hoy en día que facilita la
implementación de dicho generador.
3. Diseño paso a paso de un generador de energía fotovoltaica para el
Centro Universitario de Noroccidente (Cunoroc), Universidad de San
Carlos de Guatemala, bajo la normativa de generación distribuida.
Aprovechando el marco legal actual que favorece la generación de
energía fotovoltaica y su inyección a la red eléctrica.
4. Hacer un análisis básico de eficiencia energética y presupuesto o costo
del generador propuesto para realizar las estimaciones necesarias, que
determinarán el ahorro comparativo en kilowatt-hora (kwh) utilizando este
tipo de energía renovable.
XVIII
XIX
INTRODUCCIÓN
Las energías renovables en todo el mundo crecieron un 8,3 % en 2013,
hasta llegar a un 22 % de la producción total y los empleos de ese sector
aumentaron un 14 %, hasta alcanzar los 6,5 millones, según un informe
divulgado por la organización Renovable Energy Policy Network for the 21st
Century (REN 21). Este dice que existe un verdadero cambio tendiente al uso
de este tipo de energías, haciendo énfasis en la reducción de la generación
convencional por uso de combustibles fósiles y por ende a la reducción en las
emisiones de dióxido de carbono.
El presente trabajo de graduación, conlleva varios factores a tomar en
cuenta, para el caso del Cunoroc, el primero de ellos es determinar cuáles son
las características actuales del consumo de energía eléctrica, estadísticas del
comportamiento en la facturación mensual, estado de las instalaciones
eléctricas, entre otros, parámetros importantes que determinarán el siguiente
paso, que es dimensionar y diseñar en función al área dispuesta, los módulos
fotovoltaicos (o generador fotovoltaico) necesarios para cubrir total o
parcialmente la demanda energética del Cunoroc. Además, aprovechar el
marco legal existente para este tipo de proyectos.
Dicha propuesta conlleva implícitamente el hacer conciencia a los
docentes y alumnos de la necesidad de implementar a futuro inmediato la
generación de energía renovable de fácil acceso, como lo es la solar o
fotovoltaica y sus efectos al medio ambiente. No está demás hacer un llamado
a la sociedad, por medio de la Universidad de San Carlos de Guatemala, para
que se involucren directamente en preservar, cuidar, mantener y promocionar el
XX
cuidado del medio ambiente a todo nivel, utilizando para tal, el potencial que
implica el estudiante debidamente capacitado e involucrado.
1
1. INCIDENCIA DE LA GENERACIÓN FOTOVOLTAICA EN EL
MEDIO AMBIENTE
Es importante tener una perspectiva actualizada de la incidencia de la
generación eléctrica por medios convencionales y el beneficio que conlleva
buscar alternativas limpias o renovables.
1.1. Antecedentes
Durante la última década, Guatemala ha padecido los embates de
fenómenos naturales de gran importancia, por ejemplo el huracán Mitch en
1998, las tormentas tropicales Stan (2005) y Ágatha (2010). Durante estos
períodos la conjunción de estos fenómenos ha tenido un impacto fuerte en los
medios de vida rural y afectado el crecimiento macroeconómico, el bienestar
humano y el desarrollo sostenible. Además, hay que agregar que en Guatemala
está posicionado entre las cinco naciones de más alto riesgo en el mundo, por
la vulnerabilidad de su producto interno bruto (PIB) ante tres o más amenazas,
con el 83 % de su PIB generado en áreas de riesgo.
Se plantea que en Guatemala no se desarrolla una gestión ambiental
efectiva, a pesar de ver todos los días los daños ambientales y el deterioro de
los recursos naturales saltan a la vista, sabiendo que se tiene a la disposición la
información técnica disponible para detener el daño o los efectos nocivos.
En la actualidad está de moda el término: cambio climático, este no es
más que un fenómeno ambiental de carácter puramente atmosférico
(termodinámico), este ha sido más notorio a finales del siglo XX, siendo más
2
visible y de forma rápida como consecuencia de la intervención directa o
indirecta de los humanos y las industrias en el medio ambiente planetario.
Teniendo en cuenta la estabilidad secular de la temperatura en la
superficie de la tierra, los cambios producidos desde el asentamiento de la
revolución industrial en el mundo, con un recalentamiento en aumento, han de
ser vinculados al proceso económico por ella generado, eminentemente
industrializador, urbanizador y consumista. Todo esto no es nada novedoso,
tomando en cuenta que el clima de la Tierra todo el tiempo ha sido cambiante,
con procesos lentos y debido a causas naturales propias o exteriores al planeta.
Por su carácter climatológico, el cambio climático actual es un fenómeno
incierto, aleatorio y ubicuo, y es en estas características sobre las que se basa
la polémica científico-política acerca de si obedece a causas naturales
(“clásicas” o geológicas) o si ha de atribuirse claramente a la intervención y
responsabilidad humanas, debido a que el ‟principal agente perturbador
identificado, el dióxido de carbono, tiene su origen en la actividad económica del
ser humano.ˮ Pero la celeridad relativa de sus manifestaciones, el mejor
conocimiento de sus mecanismos y el intenso seguimiento que se viene
haciendo desde hace unas décadas, deja pocas posibilidades a la sospecha o
interpretación de que pueda obedecerse a causas naturales, siendo ya de
general aceptación que se trata de un acontecimiento netamente
antropogénico.
Aunque es evidente que la universalidad geográfica es el rasgo más
importante de los efectos negativos del cambio climático, todas las previsiones
apuntan a que las áreas intertropicales resultan ser las más frágiles y
expuestas, y por ello lo sufrirán con mayor intensidad. Como regiones más
críticas se señalan de forma especial el sur y sureste asiático, ambas bandas
3
tropicales africanas y, desde luego, un amplio espacio en el continente
americano en el que se incluye por completo Centroamérica. La región
mesoamericana, que emite tan solo un 0,5 % del total mundial de dióxido de
carbono, es, sin embargo, una de las más vulnerables ante los efectos
negativos del cambio climático.
La oferta de emisiones ha sufrido pocas variaciones durante el período
2006 - 2010, con un promedio de 19,4 millones de toneladas de dióxido de
carbono equivalentes, generadas sobre un horizonte de 20 años (en adelante
millones de potencial de calentamiento global [PCG]) 100 por la economía
nacional. En el cuadro 1 se muestra que 2010 fue el año en que la economía
originó la mayor cantidad de emisiones, alcanzando los 20,3 millones de PCG,
mientras que para 2006 se reporta el menor nivel de generación de emisiones
(18,1 millones de PCG). ‟Este incremento está asociado a un aumento en el
consumo de energía eléctrica y a cambios en la estructura de la matriz
energética nacional, donde gradualmente se ha incrementado la participación
de fuentes de energía no renovables.ˮ
Por un lado, durante 2010 el consumo de energía del Sistema Nacional
Interconectado (SIN) manifestó una tendencia al alza, alcanzando un
crecimiento del 3,29 % con relación al año anterior (CNEE, 2011). Por otro lado,
la contribución de hidroenergía a la matriz energética nacional pasó de 74,61 %
en el periodo junio-octubre 2008, a 50,29 % en el período junio-octubre 2009
(CNEE, 2010).
En el cuadro 1 se observa que, en promedio, el 86 % de la oferta de las
emisiones para el periodo 2006-2010 (16,8 millones de PCG) es generada por
tan solo tres actividades económicas: a) las industrias manufactureras (43,5 %);
4
b) el suministro de electricidad, gas y agua (35 %); c) el transporte,
almacenamiento y comunicaciones (8,4 %).
Tabla I. Actividades económicas y de consumo
Fuente: elaboración propia.
ACTI
VID
ADES
ECO
NÓ
MIC
AS Y
DE
CON
SUM
O20
0620
0720
0820
0920
10PR
OM
EDIO
2006
-201
0
ESTR
UCT
URA
PORC
ENTU
AL
Acti
vida
des
inm
obil
iari
as, e
mpr
esar
iale
s y
de a
lqui
ler
162
916
182
870
177
440
217
845
217
257
191
666
1,07
Agri
cult
ura,
gan
ader
ía, c
aza,
sil
vicl
tura
y p
esca
398
947
423
397
377
997
445
848
464
794
422
196
2,29
Com
erci
o al
por
may
or y
al p
orm
enor
634
326
675
914
621
600
692
943
710
464
667
050
3,5
Cons
truc
ción
319
485
336
805
321
847
280
375
258
608
303
424
1,27
Ense
ñanz
a19
983
20 9
0220
930
23 4
4423
405
21 7
330,
12
Expl
otac
ión
de m
inas
y c
ante
ras
85 9
6299
098
84 5
4294
113
115
663
95 8
760,
57
Hot
eles
y re
stau
rant
es47
6 84
651
1 09
747
7 04
354
3 02
451
1 45
350
3 89
32,
52
Idus
tria
s m
anuf
actu
rera
s8
427
956
9 14
9 26
28
307
910
8 57
2 67
98
850
710
8 66
1 70
343
,54
Inte
rmed
iaci
ón fi
nanc
iera
7 98
39
047
7 52
58
659
8 59
48
362
0,04
Otr
as a
ctiv
idad
es y
ser
vici
os c
omun
itar
ios,
soc
iale
s y
pers
onal
es22
990
23 4
8121
530
25 1
2124
999
23 6
240,
12
Serv
icio
s So
cial
es y
de
salu
d70
418
93 7
2582
382
86 6
2786
548
83 9
400,
43
Sum
inis
tro
de e
lect
rici
dad,
gas
y a
gua
5 73
1 20
66
605
917
6 15
5 59
96
918
410
7 11
3 39
76
504
906
35
Tran
spor
te, a
lmac
enam
ient
o y
com
unic
acio
nes
1 57
9 25
81
743
713
1 58
8 31
61
742
791
1 70
8 62
41
672
540
8,41
Adm
inis
trac
ion
Públ
ica
141
178
131
574
669
619
213
116
225
255
276
149
1,11
Asoc
iaci
ones
que
sir
ven
a ho
gare
s2
905
2 62
92
085
4 31
64
285
3 24
40,
02
Plan
es d
e se
guri
dad
obli
gato
rios
1 81
737
62
357
2 25
32
225
1 80
60,
01
Tota
l de
emis
ione
s de
las
acti
vida
des
econ
ómic
as18
084
176
20 0
09 8
0718
918
722
19 8
71 5
6420
326
281
19 4
42 1
129)
35
Not
a: E
ste
cuad
ro so
lo p
rese
nta
las e
misi
ones
de
las a
ctiv
idad
es e
conó
mica
s, N
o se
regi
stra
n la
em
ision
es d
e lo
s hog
ares
, por
eje
mpl
o po
r el c
onsu
mo
de le
ña.
Fuen
te: B
ANGU
AT y
IARN
A-U
RL (2
011)
.
Gen
erac
ión
de d
ióxi
do d
e ca
rbon
o (C
O2)
, met
ano
(CH
4) y
óxid
o ni
tros
o (N
2O) p
rove
nien
tes
de la
com
bust
ión
de
prod
ucto
s en
ergé
ticos
en
Gua
tem
ala,
seg
ún a
ctiv
idad
econ
ómic
a (t
onel
adas
equ
ival
ente
s de
CO
2 so
bre
un
horiz
onte
de
20 a
ños)
. Per
íodo
200
6-20
10
5
Tabla II. Actividades económicas
Fuente: elaboración propia.
ACT
IVID
AD
ES E
CON
ÓM
ICA
S LE
ÑA
Pe
tro
leo
Car
bó
nB
agaz
oG
aso
lin
aD
iese
lB
un
ker
Ke
rose
ne
Gas
R
efi
ne
rías
Act
ivid
ad
es
inm
ob
ilia
ria
s, e
mp
resa
ria
les
y d
e a
lqu
ile
r90
564
126
404
9221
7 06
0
Agr
icu
ltu
ra, g
an
ad
erí
a, c
aza
, sil
vicl
tura
y p
esc
a75
955
388
839
464
794
Com
erc
io a
l p
or
ma
yor
y a
l p
orm
en
or
85 6
6916
7 66
644
7 47
696
5371
0 46
4
Con
stru
cció
n85
518
054
101
072
1613
8 61
125
8 60
8
Ense
ña
nza
319
365
13 9
1198
23 4
05
Exp
lota
ció
n d
e m
ina
s y
can
tera
s14
933
54 4
9246
239
115
664
Ho
tele
s y
rest
au
ran
tes
90 1
6469
177
268
165
54 4
1829
529
511
453
Idu
stri
as
ma
nu
fact
ure
ras
4 38
6 11
220
8 46
41
990
574
442
538
849
303
646
524
170
987
156
209
8 85
0 71
1
Inte
rme
dia
ció
n f
ina
nci
era
8 59
48
594
Otr
as
act
ivid
ad
es
y se
rvic
ios
com
un
ita
rio
s, s
oci
ale
s y
pe
rso
na
les
12 6
4612
279
7424
999
Serv
icio
s So
cia
les
y d
e s
alu
d75
37 2
8048
560
445
188
86 5
48
Sum
inis
tro
de
ele
ctri
cid
ad
, ga
s y
agu
a1
390
917
4 23
7 34
97
931
237
966
1 06
0 79
759
848
118
589
7 11
3 39
7
Tra
nsp
ort
e, a
lma
cen
am
ien
to y
co
mu
nic
aci
on
es
222
810
1 35
2 04
213
3720
511
708
623
Ad
min
istr
aci
on
Pú
bli
ca33
667
144
525
47 0
6322
5 25
5
Aso
cia
cio
ne
s q
ue
sir
ven
a h
oga
res
2 54
21
743
4 28
5
Pla
ne
s d
e s
egu
rid
ad
ob
liga
tori
os
2 06
416
12
225
Tota
l de
emis
ione
s de
las
acti
vida
des
econ
ómic
as4
561
945
208
464
3 43
1 05
24
237
349
1 36
6 20
33
893
999
1 76
1 73
919
3 56
821
0 84
746
0 91
920
326
085
Nó
tese
qu
e es
te c
ua
dro
só
lo p
rese
nta
las
emis
ion
es d
e la
s a
ctiv
ida
des
eco
nó
mic
as.
No
se
reg
istr
an
la e
mis
ion
es d
e lo
s h
og
are
s, p
or
ejem
plo
po
r el
co
nsu
mo
de
leñ
a.
Fue
nte
: BA
NG
UA
T y
IAR
NA
-UR
L (2
011)
.
Ge
ne
raci
ón
de
dió
xid
o d
e c
arb
on
o (
CO
2),
me
tan
o (
CH
4)
y
óxi
do
nit
roso
(N
2O
) p
rove
nie
nte
s d
e la
co
mb
ust
ión
de
pro
du
cto
s e
ne
rgé
tico
s e
n G
uat
em
ala,
se
gún
act
ivid
ad
eco
nó
mic
a y
pro
du
cto
en
erg
éti
co (
ton
ela
das
eq
uiv
ale
nte
s d
e
CO
2 s
ob
re u
n h
ori
zon
te d
e 2
0 a
ño
s).
Pe
rio
do
20
06
-20
10
PR
OD
UC
TOTO
TAL
1/ L
eña
, 2/
Pet
róle
o c
rud
o y
ga
s n
atu
ral,
3/ O
tro
s m
iner
ale
s n
o m
etá
lico
s n
o c
on
tem
pla
do
s p
revi
am
ente
(ca
rbó
n m
iner
al)
, 4/
Des
per
dic
ios
de
la
ind
ust
ria
de
la a
limen
taci
ón
y e
l ta
ba
co (
ba
ga
zo d
e ca
ña
), 5
/ G
aso
lina
, 6/
Ga
s o
il (d
iése
l), 7
/ Fu
el o
il y
bu
nke
r (c
om
bu
stib
les
pa
ra c
ald
era
s), 8
/
Ker
osi
na
, 9/
Ga
ses
de
pet
róle
o y
otr
os
hid
roca
rbu
ros
ga
seo
sos,
10/
Otr
os
pro
du
cto
s d
e la
refi
na
ció
n d
e p
etró
leo
no
co
nte
mp
lad
os
pre
via
men
te.
6
En el cuadro 2 se observa que la oferta de emisiones para el 2010
corresponde, en gran medida, a aquellas actividades que utilizan como principal
fuente energética la leña, el carbón, el bagazo y el diésel. Estas actividades
generaron 16,1 millones de PCG, lo que representa cerca del 80 % del total de
emisiones producidas por las actividades económicas en ese año. Destaca que
la leña es la fuente energética que más emisiones genera (22 % del total
nacional, 4,6 millones de PCG) y la actividad económica que más contribuye a
la producción de emisiones es: actividades manufactureras (49 %, 4,3 millones
de PCG).
Es imperante contribuir en hacer consciencia sobre los comportamientos
micro y macro, dependientes de las formas de energía que tengan un efecto al
medio ambiente, pero también importante saber las consecuencias y efectos al
diseñar y construir o usar formas de energía “amigables con el medio
ambiente”, de tal manera que su efecto dañino pueda ser reparado o renovado
a corto plazo.
1.1.1. Cambio climático
La energía es una de las riquezas más importantes que puede tener un
estado. Las implicaciones económicas y sociales que esta tiene en el
desarrollo, han generado que sea un factor primordial a considerar por los
gobiernos. Por ello es importante salvaguardar la seguridad energética en todos
los países del mundo. A lo largo de la historia, los combustibles fósiles han sido
la principal fuente primaria de energía. "Si esta tendencia se mantiene,
estimaciones de la OCDE proyectan que para el 2050 la demanda total de
combustibles fósiles aumentará de 80 por ciento en 2005 a aproximadamente
84 por ciento"1. Asimismo, los combustibles no fósiles representarán el 16 por
1 Agencia Internacional de Energía. Energy technology perspective. p. 113.
7
ciento de la demanda en 2050, disminuyendo su participación del 19 por ciento
que tenían en 2005.
Dado que los combustibles fósiles seguirán siendo los principales insumos
dentro de la oferta, los países deben estar conscientes de que se necesita
asegurar, tanto el suministro de estas fuentes, como instrumentar varias
medidas para disminuir las emisiones de bióxido de carbono. ʺSe calcula que la
demanda mundial de energía crecerá en un 44 por ciento en los próximos 25
años, lo que impactará significativamente el crecimiento de las emisiones de
gases de efecto invernadero asociados al cambio climático".2
Los factores determinantes de los patrones de emisiones de estos gases
por generación y uso de energía son principalmente el crecimiento de la
población, el crecimiento económico, la intensidad energética y las mezclas de
combustibles fósiles que se utilizan. Si se sigue con esta tendencia, se estima
que en los próximos 30 años, el mundo emitirá casi tres cuartas partes de lo
que ha emitido durante los últimos 250 años, por lo que el reto consiste en
desacoplar el incremento de las emisiones de gases de efecto invernadero del
crecimiento económico (Martínez, 2009).
En otras palabras, los efectos negativos que este tipo de combustible ha
ocasionado en el medio ambiente, han hecho que diversos países, así como
los organismos internacionales, no solo analicen las medidas para atender la
producción y la demanda por las fuentes primarias como se había hecho en un
pasado, sino que se preocupen por incorporar el eje de la sustentabilidad en
sus políticas energéticas. El mundo está consciente de que el principal
responsable del aumento en las emisiones de gas es de efecto invernadero es
2 International Energy Outlook 2009. Energy information administration. p. 146.
8
el ‟sector energético.ˮ El cambio climático es un problema estratégico nacional
y mundial.
Es indudable que el daño que se le haga al ambiente repercutirá en el
bienestar de todos, ya que el aumento en la concentración de ‟dióxido de
carbonoˮ en un país contribuye a generar catástrofes naturales en el mundo
entero. Por esta razón este problema global, es deber de todos los países
realizar un esfuerzo conjunto para asegurar el bienestar de la sociedad, para
atender las necesidades energéticas de la humanidad, conservando
simultáneamente la riqueza de los ecosistemas, en este sentido, diversos
gobiernos se han planteado el establecimiento de una transición de tipo
energético para poder lograr sus objetivos.
1.1.2. Protocolo de Kioto
Los científicos aseguran que la concentración de dióxido de carbono en la
atmósfera ha pasado de 280 a 379 partes por millón (ppm), cifra nunca
alcanzada en los últimos 420 000 años. Esta concentración que se ha
disparado desde el inicio de la era industrial ha traído consigo un aumento de
temperatura media mundial, que en los últimos 100 años y que en la última
década fue las más calurosa de los últimos 150 años, se habla de un aumento
de la temperatura medía que puede ir de 1,4 a 5,8 °C entre 1990 y 2010
(Mosquera, 2007), lo que distorsionaría los ciclos del agua y provocaría un
aumento del nivel del mar por el deshielo de los casquetes polares. En la
cumbre de Kioto del 11 de diciembre de 1997, se acordó una disminución
medía de gases de efecto invernadero, para los 39 países más industrializados,
de un 5,2 % respecto a las emisiones de 1990 correspondiendo a Europa un
8 %, a USA un 7 % y a Japón un 6 %; reducción que debía conseguirse en el
período de compromiso 2008- 2012 (Roldan, 2008).
9
Este es el único mecanismo internacional para empezar a hacer frente el
cambio climático y minimizar sus impactos. Para ello contiene objetivos
legalmente obligatorios, con el fin de que los países industrializados reduzcan
las emisiones de los seis gases de efecto invernadero de origen humano,
dióxido de carbono, metano, oxido nitroso y tres gases industriales fluorados,
hidrofluorocarbonos, perfluorocarbonos, hexafluoruro de azufre. Asimismo, el
principal foco de contaminación es la quema de carbón, gas y petróleo para la
generación de energía eléctrica. No obstante el interés es mucho mayor, por las
razones expuestas, para los países en vías de desarrollo, carentes mucho de
ellos de combustibles fósiles y de medios económicos para su importación y
todos en general con redes suficientemente densas de transporte de energía.
Los países industrializados de América del Norte, Europa y Japón deben
ser conscientes del gran problema que significa los altos niveles de
contaminación que se padecen, que poco a poco van degradando el planeta y a
que a futuro tendrán graves consecuencias si no se ponen los medios
adecuados para reducirlos.
Un punto importante a destacar es que cada kilovatio hora generado con
energía solar fotovoltaica, evita la emisión a la atmósfera de aproximadamente
1 kg de CO², en el caso de comparar con generación eléctrica con carbón, o
aproximadamente 0,4 kg de CO² en el caso de comparar con generación
eléctrica con gas natural. Esto es de gran ayuda para la reducción de emisiones
que se propone en el Protocolo de Kioto citado anteriormente.
10
1.2. Estado y procedencia de la generación eléctrica en Guatemala
La situación actual del sistema eléctrico de potencia en Guatemala, se
describe mediante la capacidad instalada en plantas de generación, la
infraestructura de transmisión y transformación, la generación de electricidad, la
caracterización homogénea de la carga y datos estadísticos de consumo de
energía y usuarios servidos.
1.2.1. Historia de la electrificación en Guatemala
La generación de energía eléctrica en Guatemala, se inicia en 1884 al
instalarse la primera hidroeléctrica en la finca El Zapote, al norte de la capital. Al
año siguiente se forma la Empresa Eléctrica del Sur por empresarios alemanes
que instalaron la hidroeléctrica Palín de 732 KW, la cual brindó servicio a los
departamentos de Guatemala, Sacatepéquez y Escuintla.
Hidroeléctrica Palin II: esta central se localiza en el municipio de Palín,
departamento de Escuintla, la cual fue puesta en operación en el 2005 y
es una central a filo de agua. Consta de dos (2) unidades tipo Francis
de eje horizontal, con una capacidad activa instalada de 2,9 MW por
unidad. Su caída neta de diseño es de 81,7 m, con un caudal de diseño
de 4 m³/seg por unidad. El cuarto de máquinas se muestra en la figura 1.
11
Figura 1. Hidroeléctrica Palín II
Fuente: Sistema de energía eléctrica en Guatemala.
http://www.deguate.com/artman/publish/ecofin_articulos/Sistema-de-energia-electrica-en-
Guatemala.shtml#.VNOGjP6G_64. Consulta: 24 de febrero de 2014.
En 1927, se construye la hidroeléctrica Santa María, con el fin de proveer
de energía al Ferrocarril de los Altos. Cuando este medio de transporte
desapareció, las autoridades de gobierno deciden que la planta se oriente a
cubrir la demanda de los departamentos de Quetzaltenango, Totonicapán,
Sololá y Suchitepéquez.
Hidroeléctrica Santa María
Esta central se ubica en el municipio de Zunil, departamento de
Quetzaltenango y fue puesta en servicio en 1927. Esta es considerada de
regulación diaria, con un embalse de 215 500 m³ como volumen útil,
conduciéndose el agua hacia la casa de máquinas a través de una tubería de
presión de 0,614 km de longitud.
La casa de máquinas (figura 2) cuenta con tres (3) unidades generadoras
de diferente capacidad instalada; la unidad núm. 1 con 2,48 MW, las unidades
núms. 2 y 3 con 2,2 MW. El salto o caída que utiliza esta central es de 101 m,
con un caudal de turbinamiento de 2,35 m³/seg para la unidad núm. 1 y núm. 2
y 2,42 m³/seg para la unidad núm. 3.
12
Figura 2. Hidroeléctrica Santa Maria
Fuente: Sistema-de-energia-electrica-en-Guatemala.
http://www.deguate.com/artman/publish/ecofin_articulos/Sistema-de-energia-electrica-en-
Guatemala.shtml#.VNOGjP6G_64. Consulta: 24 de febrero de 2014.
En 1940, se crea el Departamento de Electrificación Nacional,
dependencia del Ministerio de Comunicaciones y Obras Públicas y dicha planta
se convierte en la Hidroeléctrica del Estado.
A mediados de la década de los cincuenta se inicia la construcción en
Zacapa de la Hidroeléctrica Río Hondo. Posteriormente gracias a los esfuerzos
de los ingenieros Oswaldo Santizo y José Manuel Dengo el 27 de mayo
de 1959 fue creado el Instituto Nacional de Electrificación (INDE); por medio del
Decreto 1287. Siendo su primer presidente el ingeniero Martín Prado Vélez.
Durante la década de los años 30 el ingeniero Oswaldo Santizo había
construido las hidroeléctricas de Patzún en Chimaltenango y la de Patulul en
Suchitepéquez. Dentro de los bienes iniciales del INDE estaban la hidroeléctrica
Santa María y la de Río Hondo que se encontraba en construcción. Esta planta
fue puesta en operación en 1962 con una capacidad de 2400 KW.
13
Debido al crecimiento de la demanda de energía eléctrica y para atender los
planes de electrificación, en 1965 fue puesta en operación la Central Diésel de
San Felipe, Retalhuleu, con una capacidad de 2 440 KW. Seis años más tarde
fue instalada una turbina de gas en la finca Mauricio, en Escuintla, con una
capacidad de 12 500 KW. En ese mismo período el INDE amplió la capacidad
de la planta Santa María a 6 880 KW.
A principios de la década de los setenta se instaló la Hidroeléctrica Jurún
Marinalá.
Hidroeléctrica Jurún Marinalá
o Esta central se encuentra ubicada en la aldea Agua Blanca, interior
de la finca El Salto, departamento de Escuintla, clasificada como
una central de regulación diaria. Cuenta con tres (3) unidades
generadoras tipo Pelton de eje horizontal (figura 3), con una
capacidad de 20 MW por unidad.
El embalse de regulación posee un volumen total de 112 000 m³ de agua,
misma que se trasladada a través de un túnel de presión de 4,03 km y una
tubería de presión de 2,44 km a la casa de máquinas, utilizando 660 m como
caída bruta de diseño para lograr la capacidad de generación con un caudal de
4 m³/seg por unidad.
14
Figura 3. Hidroeléctrica Jurún Marinalá
Fuente: Sistema de energía eléctrica en Guatemala.
http://www.deguate.com/artman/publish/ecofin_articulos/Sistema-de-energia-electrica-
en-Guatemala.shtml#.VNOGjP6G_64. Consulta: 24 de febrero de 2014.
En 1982, inició operaciones la Hidroeléctrica Aguacapa.
Hidroeléctrica Aguacapa
Esta central se encuentra ubicada en el departamento de Escuintla,
clasificada como una central de regulación diaria. Cuenta con tres (3) unidades
generadoras tipo Pelton de eje horizontal, con una capacidad de 30 MW cada
una. Posee un embalse con capacidad de 300 000 m³, de agua, la cual es
transportada a través de un túnel de presión de 12,04 km y de una tubería
reforzada de 3,65 km, hasta llegar a la casa de máquinas (figura 4).
15
Figura 4. Hidroeléctrica Aguacapa
Fuente: Sistema de energía eléctrica en Guatemala.
http://www.deguate.com/artman/publish/ecofin_articulos/Sistema-de-energia-electrica-
en-Guatemala.shtml#.VNOGjP6G_64. Consulta: 24 de febrero de 2014.
Cuenta con una chimenea de equilibrio para disipar presiones excesivas
por golpe de ariete en la tubería de presión. La caída neta de diseño de la
central es de 490,6 metros y su caudal de diseño de 7,33 m³/seg por unidad.
En 1983, la Hidroeléctrica Chixoy, la más grande del país.
Hidroeléctrica Chixoy
Esta central se encuentra ubicada en la aldea Quixal, municipio San
Cristóbal, departamento de Alta Verapaz. Cuenta con cinco (5) unidades
generadoras, con una capacidad máxima de 55 MW cada una. Posee un
embalse de regulación anual, con una capacidad de 460 millones de m³ de
agua que a través de un tramo de túnel de aducción de 26 km lleva el agua
para su turbinamiento a la casa de máquinas. Esta central utiliza una caída
neta de diseño de 433 metros y un caudal de diseño por unidad de 15 m³/seg.
16
En 1992, inician sus operaciones varias generadoras privadas, entre ellas:
los ingenios azucareros, Enron en Puerto Quetzal y posteriormente las plantas
Sidegua, Lagotex, Secacao, Río Bobos, Tampa, Guatemala Generating Group
(GGG), Las Palmas, Generadora del Norte (Genor), Calderas, Zunil,
Poliwatt, Pasabién, Poza Verde, Tululá, Cerro Vivo, Las Vacas y Matanzas.
Capacidad instalada a nivel nacional en la actualidad es de 1 705,6 MW,
entre generadores privados e INDE.
Figura 5. Hidroeléctrica Chixoy
Fuente: Sistema de energía eléctrica en Guatemala.
http://www.deguate.com/artman/publish/ecofin_articulos/Sistema-de-energia-electrica-
en-Guatemala.shtml#.VNOGjP6G_64. Consulta: 24 de febrero de 2014.
La electricidad se genera de varias formas; algunas de ellas tienen un
menor impacto sobre el ambiente que otras. En el caso de la electricidad
producida con la fuerza del agua, el sol o el viento (energías renovables) el
impacto ambiental es menor que cuando se utiliza diésel o gasolina.
El uso de esos combustibles produce los llamados gases de efecto
invernadero; los cuales contaminan la atmósfera. Por esta razón, es importante
utilizar la energía lo mejor posible, ya queel ahorra dinero, se ayuda a la
economía en el hogar y se vive en un ambiente más limpio.
17
1.2.1.1. Guatemala con potencial para generar
electricidad limpia
La riqueza hídrica y solar de Guatemala presenta un gran potencial en la
generación de energía renovable: tan solo las hidroeléctricas en el país
producen 990 megavatios (MV), los cuales representan el 35 por ciento de la
capacidad en el ámbito nacional, que alcanza los 2 mil 795 MV, que dan luz
eléctrica al 85 por ciento de los pobladores. Según datos de la Comisión
Nacional de Energía Eléctrica (CNEE), cerca de 2 millones de guatemaltecos no
tienen acceso a la energía eléctrica y la generación renovable es una opción de
bajo costo para distribuirla entre estas personas.
El aprovechamiento del agua para generar energía es considerado una de
las formas más limpias de producción, pero su instalación debe ser realizada
bajo estudios de impacto ambiental, para evitar que las comunidades cercanas
a los cauces de los ríos sean afectadas. Óscar Avalle, representante del
Banco Mundial (BM) en Guatemala, indicó que el país tiene el potencial de
generar más de 5 mil MV con su capacidad instalada, que sería el doble de la
electricidad que el país produce con petróleo, gas natural, las hidroeléctricas y
geotermia. “Esta generación se puede desarrollar en su totalidad con la
adecuada planificación, mitigación, manejo y compensación necesaria. El
Banco Mundial invertirá en su desarrollo”, manifestó Valle.
Mario Díaz, coordinador del Corredor Biológico Mesoamericano, dijo que
la energía limpia requiere de una fuerte y constante inversión social. “La
administración de las cuencas entre los gobernantes y las poblaciones ayudará
al desarrollo de todo el potencial hídrico en Guatemala, pero también se
necesita que las municipalidades inviertan más en temas verdes y no en obra
gris”, manifestó Díaz.
18
En Guatemala hay 19 centrales hidroeléctricas y 6 más se encuentran en
construcción. Las principales son: la central Chixoy, en San Cristóbal Verapaz,
en el departamento norteño de Alta Verapaz, con 300 MV. A esta le siguen la
Central Hidro Xacbal, en Chajul, Quiché (noroeste), con 94 MV, que se alimenta
del río Xacbal, y la Central Aguacapaca, en Guanazapa, que está en Escuintla
(sur) y que genera 90 MV con el caudal del río María Linda, según datos del
Instituto Nacional de Electrificación (Inde).
1.2.1.2. Inversión en energía solar
El ingeniero Benedicto López, del Consejo Nacional de Áreas Protegidas
(Conap), comentó que esa institución fomenta la adquisición de tecnología para
producir energía solar. Durante tres años consecutivos ha desarrollado una feria
con el objetivo de dar a conocer a profesionales, empresarios y estudiantes la
versatilidad disponible en Guatemala para generar energía limpia y de bajo
costo, señaló. Por su parte, Claus Schieber, de la compañía Enersol y
representante de los proveedores de energía solar, comentó a la Agencia
Guatemalteca de Noticias (AGN), que la población puede adquirir un equipo de
paneles solares para calentar agua y producir electricidad por su bajo costo.
“Una familia de 4 miembros puede generar el 85 por ciento de su energía a
través de paneles solares que tienen una garantía de 40 años de generación
gratuita y amigable con al ambiente”, destacó.
El representante de la compañía Quetsol, Dennie Cifuentes, consideró que
los paneles solares son una buena opción para la población rural que utiliza
poca electricidad. Según Cifuentes, un equipo de celdas solares con un costo
de Q 2 100 puede generar la suficiente energía para 3 focos, la carga de 2
celulares y el uso de un televisor de 14 pulgadas. Los equipos tienen un tiempo
de vida de entre 35 y 40 años.
19
Guatemala se ha convertido en el país pionero en generación de energía
solar en Centroamérica. La firma española Grupo Ortiz, con una inversión de
$140 millones, construirá una planta que generará 50 MV. Esto se logró
gracias al acercamiento entre la Cámara de Empresarios Españoles en Madrid
y el presidente de la república. Grupo Ortiz prevé iniciar la construcción del
Parque Solar más grande de Centroamérica antes de junio y Zacapa sería el
departamento donde se instalarían los paneles solares. La empresa indicó que
este parque beneficiaría a unas 15 mil familias y la planta se inauguraría en
agosto del 2014.
1.2.1.3. Incentivos para energía limpia
Gustavo Suárez, director del programa del Ministerio de Ambiente
“Producción más Limpia”, comentó que la política del Gobierno contempla la
creación de incentivos económicos y de financiamiento a instituciones
gubernamentales y privadas para generar energía limpia. “La política nacional
también establece la concientización para generar ahorros en materia prima,
insumos y energía, así como instrumentaliza los incentivos fiscales y
económicos. La inversión en energía solar puede patrocinarse por medio de
esta política”.
Como consecuencia de lo anterior, las inversiones en el campo de la
generación con energías renovables han tenido auge, notándose el incremento
de empresas que ofrecen generar energía solar a nivel domiciliar, comercial e
industrial, así como también empresas que ya están generando e
interconectándose al sistema nacional.
20
En la figura 6 se ve el comportamiento de la matriz energética en función
al tipo de combustible o forma de generación eléctrica y en la figura 7 se
muestra la tendencia del consumo en un período de 27 años.
Figura 6. Evolución matriz energética 2007-2013
Fuente: Cámara de Industria y Comercio Alemana Guatemalteca, Presentado por Lic.
Carmen Urizar, Presidente CNEE, 2013.
Figura 7. Consumo de energía 2013
Fuente: Cámara de Industria y Comercio Alemana Guatemalteca, Presentado por Lic.
Carmen Urizar, Presidente CNEE, 2013.
21
1.2.1.4. Potencia adjudicada en proceso de licitación
a largo plazo
En esta gráfica ya se puede observar la incidencia porcentual e influencia
de la generación solar, a febrero 2015 se tiene un incremento significativo en
este rubro de mas de 150 MW generado.
1.2.2. El sector la energía en Centroamérica. Aspectos
generales (2013)
Victor Hugo Ventura, representante de la Cepal indicó que los seis países
centroamericanos tienen 498 mil km², una población de 44 4 millones de
habitantes. Los países con la población más alta y la más baja son: Guatemala
(15,5 millones) y Panamá (3,6 millones). La densidad de población de la
subregión es de alrededor de 89 habitantes por kilometro cuadrado (300 en El
Salvador y 48 en Panamá).
Panamá y Costa Rica tienen un mayor desarrollo e ingreso promedio per
cápita.
El Salvador y Guatemala se encuentran en una posición intermedia,
superior a la de Honduras y Nicaragua.
Dos características importares de la región: a) Dependencia petrolera y a
los combustibles fósiles importados, y b) Alta utilización de las fuentes de
energía tradicionales (madera y residuos de biomasa), principalmente en tres
países (Guatemala, Honduras y Nicaragua).
22
Figura 8. El sector la energía en Centroamérica. Aspectos generales
(2013)
Fuente: Cámara de Industria y Comercio Alemana Guatemalteca, Presentado por Lic.
Carmen Urizar, Presidente CNEE, 2013.
Con la excepción de Costa Rica, hay tareas pendientes en la
electrificación y energización rural.
1.2.2.1. El sector la energía
En especial a partir de 2003 los esfuerzos de los países se han dedicado
a consolidar y adaptar las reformas energéticas para permitir mayor
participación de las fuentes renovables de energía (FRE), reducir la
dependencia petrolera*, moderar impactos en los precios de los energéticos
(la electricidad, el gas licuado del petróleo y las tarifas de transporte público),
racionalizar y focalizar subsidios e incrementar la cobertura de los servicios
modernos de energía, en especial la electricidad en las zonas rurales.
23
A nivel regional lo más importante ha sido la integración de los mercados
de electricidad a partir de la nueva infraestructura del Sistema de la Integración
Eléctrica Centroamericana (SIEPAC). *nota. La factura petrolera
centroamericana ha pasado de 3 200 millones de dólares en el 2003 a 11 240
en 2008 y 14 400 en 2013, es decir en los últimos 10 años se ha más que
cuadruplicado.
Tabla III. Notable avance de las FRE (fuentes renovables de energía)
PAIS Capacidad Instalada
(MW)
Demanda Máxima
(MW)
Electrificación (2012)
(%)
Pérdidas del
Sistema (2012) (%)
ISTMO 12 452,80 7 379,00 16,5
Guatemala 2 790,10 1 533,00 85,00 14,2
El Salvador 1 503,50 975,00 93,6 12,6
Honduras 1 798,60 1 282,00 85,7 29,9
Nicaragua 1 266,80 609,9 74,7 23,1
Costa Rica 2 723,2 1 593,1 99,2 11,6
Panamá 2 370,70 1 386,0 89,7 12,4
*notas. Crecimiento de la demanda de electricidad: 4,3 % anual. En 2013, por
países, las FRE registraron la siguiente participación: Costa Rica (88 %);
Guatemala (69 %); Panamá (64 %); El Salvador (60 %); Nicaragua (58 %) y
Honduras (50 %).
Fuente: elaboración propia.
En 2003, cuando se iniciaba la crisis de los precios del petróleo, el 58 %
de la electricidad fue producida por fuentes renovables, cifra que se
incrementó a 64 % en 2013*.
En ese período (2003-2013) se incorporaron un total de 3,092 MW
renovables, en su mayor parte hidroeléctricos (60 %), pero muy
importantes también las adiciones de cogeneración en la industria del
azúcar (22 %) y las centrales eólicas (11 %) y geotérmicas (7 %);
24
Dos terceras partes de la nueva capacidad adicionada en el período en
referencia fue renovable (es decir solo una tercera parte correspondió a
centrales termoeléctricas convencionales), y
Lo anterior representa inversiones promedio anuales de alrededor de 550
millones de dólares, tendencia que se incrementará en los siguientes
años.
1.2.2.2. Algunas noticias relevantes recientes
Victor Hugo Ventura, de Cepal, indica que las subastas de contratos de
energías limpias están aumentando y se estima un mayor despliegue de estas
energías en el futuro. El incremento de las inversiones en energía eólica y solar.
Panamá: anunciaron inversiones por $ 427 millones de dólares para el
Parque Eólico de Penonomé (215 MW). Licencias definitivas para proyectos
eólicos por 860 MW y muchas más en trámite. Se encuentra en proceso la
licitación para la construcción de la hidroeléctrica Chan II (213 MW y una
inversión estimada en 1.000 millones de dólares).
En Guatemala se inició en enero de 2014 la construcción de un proyecto
de energía solar por 50 MW (Chiquimulilla) y en mayo de ese mismo año
iniciaron comerciales de otro proyecto solar de 5 MW (Zacapa). Otros
proyectos en construcción y licencia: hidros Renace II (112 MW), Rio Quisil
(134 MW), eólica San Antonio (50 MW).
Costa Rica: tercera mayor hidroeléctrica (Pirris, 134 MW, en 2011) y
continúa la construcción de Central hidroeléctrica Reventazón (306 MW y una
inversión de alrededor de 1,500 millones de dólares, 2016). Estatal ICE ha
impulsado licitaciones para proyectos eólicos e hídricos.
25
1.2.2.3. Ventajas y desventajas de la generación
solar
A continuación se describen detalladamente las ventajas y desventajas de
la generación solar en Guatemala.
1.2.2.3.1. Ventajas
El ingeniero Héctor Domínguez González, en su tesis: Diseño de un
sistema fotovoltaico para la generación de energía eléctrica en el Cobaev 35
Xalapa, dice que la energía solar fotovoltaica es una de las fuentes más
prometedoras de las energías renovables en el mundo. Comparada con las
fuentes no renovables, las ventajas son claras: es no contaminante, no tiene
partes móviles que analizar y no requiere mucho mantenimiento. No requiere de
una extensa instalación para operar. Los generadores de energía pueden ser
instalados de una forma distribuida en la cual los edificios ya construidos,
pueden generar su propia energía de forma segura y silenciosa.
No consume combustibles fósiles, no genera residuos, no produce ruidos
es totalmente silenciosa. Es una fuente inagotable. Ofrece una elevada
fiabilidad y disponibilidad operativa excelente. Además de las ventajas
ambientales también se deben tener en cuenta las socioeconómicas, una
instalación tiene una vida larga (los paneles solares duran aproximadamente 30
años).
Además resisten condiciones climáticas extremas: granizo, viento,
temperatura, humedad. No existe una dependencia de los países productores
de combustibles. Puede instalarse en zonas rurales desarrollo de tecnologías
propias. Se puede utilizar en lugares de bajo consumo y en casas ubicadas en
26
parajes rurales donde no llega la red eléctrica general. Puede venderse el
excedente de electricidad a una compañía eléctrica. Puede aumentarse la
potencia mediante la incorporación de nuevos módulos fotovoltaicos.
No es económicamente competitiva con otras energías actuales.
Producción variable según climatología del lugar y época del año. Otro
inconveniente es el rendimiento obtenido y el espacio de terreno ocupado por
los elementos captadores: el rendimiento final se estima en solo un 13 %
(Jiménez, 2002).
Tabla IV. Ventajas y desventajas de la energía solar
Energía Solar
Ventajas
•
Fuente inagotable de energía. Escaso impacto ambiental. No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente. Distribuida por todo el mundo. No tiene más costos una vez instalados. No hay dependencia de las compañías suministradoras.
Silenciosa
Tiene una vida útil superior a 25 años.
Resistente a condiciones climáticas extremas: granizo, viento, entre otros.
No requiere mantenimiento complejo, solo limpieza del módulo solar.
Se puede aumentar la capacidad instalada y la autonomía de la instalación.
No consume combustible.
Desventajas
•
•
Se precisan sistemas de acumulación (baterías) que contienen agentes químicos peligrosos. Puede afectar a los ecosistemas por la extensión ocupada por los paneles en caso de grandes instalaciones.
. Impacto visual negativo si no se cuida la integración de los modelos solares en el entorno.
Fuente: JIMÉNEZ, C. B. E. La contaminación ambiental en México. p. 198.
En la tabla 2 se resume la investigación de la energía solar que se lleva a
cabo en los diferentes países del mundo. El futuro de la energía solar depende
de estas investigaciones; por mencionar solo un ejemplo del avance logrado, en
los últimos seis años el costo de las celdas solares ha disminuido en un factor
de diez.
27
1.2.2.4. Reflexiones finales
Las fuentes renovables de energía, entre ellas: las hidroeléctricas, las
eólicas y las solares, son las mejores opciones energéticas para reducir los
impactos de los choques petroleros. Además, permiten mitigar los efectos del
cambio climático y mejorar la seguridad en el abastecimiento energético.
Los países centroamericanos poseen un inmenso potencial en energías
renovables, actualmente explotan solo una pequeña fracción.
Las condiciones actuales pueden ser muy favorables para que la región
continúe avanzando en el desarrollo de las fuentes renovables.
La tecnología solar fotovoltaica y la generación distribuida sin duda
tendrán gran crecimiento y podrían modificar los patrones de la demanda de
energía de los sistemas interconectados.
Deuda social: a) más de 5,5 millones de personas (alrededor de un millón
de viviendas) sin acceso a electricidad, y b) la biomasa sostenible y otras
opciones para la cocción de alimentos, especialmente en las zonas rurales.
La energía geotérmica y los biocombustibles sin duda con gran potencial.
28
29
2. BASES PARA LA GENERACIÓN ELÉCTRICA
FOTOVOLTAICA
Se denomina energía solar fotovoltaica a la obtención o generación de
energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. Los paneles, módulos o
colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores
tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos
electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos.
El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de
voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar
pequeños dispositivos electrónicos. A mayor escala, la corriente eléctrica
continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en
corriente alterna e inyectar en la red eléctrica.
2.1. Proceso de conversión de luz solar en energía eléctrica
Es un proceso por el cual la energía solar se transforma directamente en
electricidad. El dispositivo o elemento que media en el proceso es la célula solar
o célula fotovoltaica. Los sistemas fotovoltaicos permiten la transformación de la
luz solar en energía eléctrica, es decir, la conversión de una partícula con
energía lumínica (fotón) en energía electromotriz (voltaica). Cuando la energía
lumínica incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de
electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Si
se mide el voltaje existente entre los dos extremos del material, se observa que
existe una diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 voltios.
30
2.1.1. El Sol como fuente energética
El Sol es la estrella más próxima a la Tierra. Tiene un radio de unos
700 000 km y una masa de 2,1030 kg, unas 330 000 veces la de la Tierra,
alrededor giran los planetas del sistema solar, aunque él concentra el 99 % de
la masa del mismo. Su densidad es 1,41 x103 kg/m3. La temperatura de su
superficie ronda los 6 000 °C, aunque es un poco menor en las manchas
solares (alrededor de los 4 800 °C). Las manchas solares tienen una gran
influencia en el clima. Cerca del centro la temperatura es de más de
15 000 000 °C y la densidad es unas 120 veces mayor que en la superficie. En
esta zona se alcanzan presiones de 250 000 millones de atmósferas. Los gases
del núcleo están comprimidos hasta una densidad 150 veces la del agua.
Se calcula que en la parte interna del Sol se fusionan 700 millones de
toneladas de hidrógeno cada segundo, y la pérdida de masa, que se transforma
en energía solar, se cifra en 4,3 millones de toneladas por segundo. La
estabilidad del Sol como estrella se consigue por el equilibrio entre las fuerzas
interiores que tienden a expandirla y las fuerzas de gravitación que tienden a
comprimirla. A este ritmo de transformación, el Sol necesitará más de
6 000 millones de años para consumir el 10 % del hidrógeno que posee.
Cuando, en un futuro, esto se produzca (significaría que el hidrógeno del Sol
empezaría a escasear), las fuerzas de gravitación serán más importantes que
las fuerzas interiores, por lo que él solo se colapsará y empezará a morir.
El Sol se encuentra a 149 5 millones de kilómetros y su luz tarda 8 3
minutos en llegar a la superficie terrestre, a una velocidad de 300 000 km/s. La
radiación solar llega a la Tierra en forma de ondas electromagnéticas, que se
desplazan por el espacio en todas direcciones, ya que estas no necesitan un
medio físico para su propagación. Este efecto se denomina radiación y hace
referencia a un fenómeno físico vibratorio que se representa en forma de ondas.
31
La energía contenida en los rayos del Sol se calcula a partir de la fórmula
de Planck,
E = hf
Donde:
E = energía de los fotones.
h = constante de Planck, que equivale a 6,625 x 10-34 Js.
f = frecuencia a las que oscilan los fotones o la frecuencia de las ondas
de luz.
De esta fórmula se desprende que hay fotones que poseen gran cantidad
de energía (como los rayos gamma) y otros que son menos energéticos (los
rayos infrarrojos). Esto se traduce en que hay fotones que ni siquiera pueden
atravesar la atmósfera terrestre, mientras otros cruzan los tejidos blandos de
cuerpo humano y chocan únicamente con los huesos (rayos X).
La energía que llega a la parte alta de la atmósfera es una mezcla de
radiaciones de longitud de onda, formada por radiación ultravioleta, luz visible y
radiación infrarroja. Estas constituyen el espectro solar terrestre, que se ve en la
siguiente imagen (figura 9):
32
Figura 9. Proceso de conversión de luz solar en energía eléctrica
Fuente: Percepción remota. http://www.monografias.com/trabajos82/manejo-envi/manejo-
envi.shtml. Consulta: 28 de mayo de 2014.
La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas
se relacionan mediante la expresión:
λ= c/f
Son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de
penetración y otras características. Independientemente de su frecuencia y
longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a
la velocidad de la luz, c.
Se tiene por tanto, que el Sol emite constantemente cantidades enormes
de energía, en forma de ondas. Un cálculo teórico basado en la Ley de Planck
(que permite calcular la intensidad de la radiación emitida por un "cuerpo negroʺ
para una determinada temperatura y longitud de onda), permite afirmar que el
flujo total de energía emitido por el Sol en todo el rango de frecuencias equivale
33
a 3,8 x 1023 (o sea, 380 000 millones de millones) de kW. De esa energía
emitida por el Sol, solo una pequeña parte llega a la Tierra, aunque esa
pequeña cantidad sería más que suficiente para cubrir la demanda mundial por
todo un año. De la energía que llega, la atmósfera, afortunadamente absorbe
una gran parte. (nota. un cuerpo negro es un objeto ideal, que no existe en la
naturaleza, que absorbe toda la energía que incide en el y no refleja ninguna).
La radiación solar alcanza los niveles más altos antes y después del
mediodía. Las nubes, la lluvia y la contaminación atmosférica como partículas y
ozono absorben el UV y disminuyen su intensidad a nivel del suelo.
Tabla V. Longitud de onda y energía de los rayos ultravioleta
Nombre Abreviación Longitud de onda (nm) Energía por fotón (eV) Ultravioleta cercano NUV 400-200 3,10-6,30 Onda larga UVA 400-320 3,10-3,87 Onda medía UVB 320-280 3,87-4,43 Onda corta UVC 280-200 4,43-6,30 Ultravioleta lejano FUV, VUV 200-10 6,30-124 Ultravioleta extremo EUV, XUV 91,2-1 13,6-1240
Fuente: ESCUDERO L., J.M. Manual de energía eólica. p. 146.
2.1.2. Constante solar
Para medir la cantidad de energía solar que llega a la frontera exterior que
delimita la atmósfera se establece la "constante solarʺ. Es la misma cantidad de
energía que recibiría la superficie de la Tierra si no tuviera atmósfera.
La constante solar sirve para establecer el valor correspondiente a la
energía que incide perpendicularmente en 1 m2 de la parte exterior de la
atmósfera. Se llama constante solar a la radiación solar (flujo o densidad de
34
potencia de la radiación solar) recogida fuera de la atmósfera sobre una
superficie perpendicular a los rayos solares. Su valor es de 1 353 W/m2, y varía
± 3 % durante el año por ser la órbita terrestre elíptica.
La radiación solar incide sobre la superficie de la Tierra después de
atravesar la atmósfera en la que se debilita por efecto de reflexión, difusión y
absorción de la materia atmosférica. La atmósfera absorbe parte de la radiación
solar. En unas condiciones óptimas con un día perfectamente claro y con los
rayos del Sol cayendo casi perpendiculares, las tres cuartas partes de la
energía que llega del exterior, como mucho, alcanzan la superficie. El resto se
refleja en la atmósfera y se dirige al espacio exterior. Las nubes son en gran
parte las responsables de ello. Casi toda la radiación ultravioleta y gran parte de
la infrarroja son absorbidas por el ozono y otros gases en la parte alta de la
atmósfera. El vapor de agua y otros componentes atmosféricos absorben en
mayor o menor medida la luz visible e infrarroja.
A partir de los fenómenos de reflexión, difusión y absorción, se puede
deducir que la radiación que incide en la atmósfera no coincide con la
disponible al nivel del mar, con lo que la constante solar anterior ya no es válida
en la superficie de la Tierra. Aquí, en condiciones atmosférica óptimas: día
soleado de verano, cielo totalmente despejado, en una superficie de 1m2
perpendicular al Sol, la luz solar plena registra un valor de 1 000 W/m2.
Sin embargo, pueden darse otras situaciones en las que la radiación solar
tenga valores distintos: varía según el momento del día, también varía
considerablemente de un lugar a otro, especialmente en zonas montañosas y a
diferencia con respecto a la posición relativa del Sol en el cielo (elevación
solar), la cual depende de la latitud de cada lugar. Hay que tener esto en cuenta
cuando la instalación solar prevé hacerse a gran altitud, por ejemplo en refugios
35
montañosos o repetidores de comunicación, ya que a mayor altitud menor es el
espesor de la atmósfera que debe atravesar la radiación y, por tanto, aumenta
la energía disponible.
Las siguientes tablas muestran como varía la intensidad de la radiación en
función a la altitud sobre el nivel del mar, y cómo influyen las condiciones
climatológicas.
Tabla VI. Variación de la radiación incidente con la altitud
Altitud sobre el nivel del mar (m)
0 900 1 500 2 250 3 000
Intensidad de la radiación (W/m
2)
950 1 050 1 100 1 150 1 190
Fuente: SÁNCHEZ, Miguel Angel. Energía solar fotovoltaica. p. 126.
Tabla VII. Influencia de las condiciones climatológicas en la radiación
incidente
Condiciones Climatológicas Radiación global (W/m2) Porcenaje de difusa (%)
Cielo despejado 750-1 000 10-20
Cielo parcialmente nuboso 200-500 20-90
Fuente: SÁNCHEZ, Miguel Angel. Energía solar fotovoltaica. p. 126.
2.1.3. Componentes de la radiación solar
Como ya se ha dicho el Sol es una poderosa fuente de energía solar. Esa
energía solar que llega a la Tierra puede ser transformada en energía eléctrica
en un proceso denominado efecto fotovoltaico (FV), en células o celdas solares
que se montan en paneles, como se verá a continuación.
36
Según como llegue la luz solar a la superficie de la Tierra, se puede
clasificar la radiación en tres tipos diferentes: directa, dispersa o difusa y
albedo.
La radiación solar directa es la que incide sobre cualquier superficie con
un ángulo único y preciso. La radiación solar viaja en línea recta, pero los gases
y partículas en la atmósfera pueden desviar esta energía, lo que se llama
dispersión. Esto explica que un área con sombra o pieza sin luz solar esté
iluminada: le llega luz difusa o radiación difusa.
Los gases de la atmósfera dispersan más efectivamente las longitudes de
onda más cortas (violeta y azul) que las longitudes de onda más largas (naranja
y rojo). Esto explica el color azul del cielo y los colores rojo y naranja del
amanecer y atardecer. Cuando amanece o anochece, la radiación solar recorre
un mayor espesor de atmósfera y la luz azul y violeta es dispersada hacia el
espacio exterior, pasando mayor cantidad de luz roja y naranja hacia la Tierra,
lo que da el color del cielo a esas horas.
Se llama albedo a la fracción de la radiación reflejada por la superficie de
la tierra o cualquier otra superficie. El albedo es variable de un lugar a otro y de
un instante a otro, por ejemplo, para un cuerpo negro su valor es igual a cero,
pero para la nieve es de 0,90; para un suelo mojado es de 0,18; entre otros.
Las proporciones de radiación directa, dispersa y albedo recibida por una
superficie dependen:
De las condiciones meteorológicas: en un día nublado la radiación es
prácticamente dispersa en su totalidad, mientras en un día despejado
37
con clima seco predomina, en cambio, la componente directa, que puede
llegar hasta el 90 % de la radiación solar.
De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal: una
superficie horizontal recibe la máxima radiación dispersa (si no hay
alrededor objetos a una altura superior a la de la superficie) y la mínima
reflejada. Al aumentar la inclinación de la superficie de captación
disminuye la componente dispersa y aumenta la componente reflejada.
De la presencia de superficies reflectantes (debido a que las superficies
claras son las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en
invierno por efecto de la nieve y disminuye en verano por efecto de la
absorción de la hierba o del terreno.
Para concretar, decir que la radiación solar total que incide sobre una
superficie inclinada, corresponde a la suma de las tres componentes de la
radiación (ver figura 10).
I TOTAL = I DIRECTA + IDIFUSA + IALBEDO
38
Figura 10. Componentes de la radiación solar
Fuente: DOMÍNGUEZ GONZÁLEZ, Héctor. Diseño de un sistema fotovoltaico para la
generación de energía eléctrica en el Cobaev 35. Xalapa, Mex. p. 88.
2.1.3.1. Factor AM (masa de aire)
La intensidad y frecuencia del espectro luminoso generado por el Sol sufre
alteraciones cuando la luz atraviesa la atmósfera. Eso se debe a la absorción,
reflexión y dispersión que toma lugar dentro de esta. Estas modificaciones son
dependientes de la espesura de la capa atmosférica. La posición relativa del Sol
respecto a la horizontal del lugar determina el valor de la masa de aire. Cuando
los rayos solares caen formando un ángulo de 90º respecto a la horizontal se
dice que el Sol ha alcanzado su cenit. Para esta posición la radiación directa del
Sol atraviesa una distancia mínima a través de la atmósfera. Cuando el Sol está
más cercano al horizonte, esta distancia se incrementa, es decir la masa de aire
es mayor. Suponiendo que se quiere medir la superficie sobre un plano
inclinado con respecto a la superficie de la Tierra, sobre ese plano incide
radiación directa y difusa, en proporciones muy variables según el factor AM, lo
Componentes de la radiación global
Superficie terrestre
Captador solar
Ra dia ción Reflejada
Ra dia ción Directa
Ra dia ción Di fusa
S Nube
39
despejado o nubosos del momento, pero además de esta, hay una parte de la
radiación solar que se ha reflejado por el suelo y que también incide sobre el
plano. A esta porción se le denomina albedo.
Figura 11. Trayectorias solares
Fuente: Control de la Unidad.
http://calderondelabarcaquintob.blogspot.com/2014_09_01_archive.html. Consulta: 12 de abril
de 2014.
La Tierra se divide en paralelos de latitud como se observa en la figura 2.
En el hemisferio norte se considerará la latitud positiva y varia entre 0± y 90±,
en el hemisferio sur se considera negativa y varía entre 0± y -90±. El paralelo
de 0± se le llama ecuador terrestre. El símbolo que se utilizaría para la latitud
sería Á. La Tierra también se divide en meridianos de longitud como se observa
en la figura. Se usa como meridiano 0± el que pasa por Greenwich, Inglaterra.
Hacia el este y el oeste los meridianos aumentan de 0± a 180±.
40
El plano fundamental es el horizontal, tangente a la superficie terrestre. La
perpendicular a este plano en dirección a la semiesfera celeste superior define
la posición del zenit del lugar o zenit local. En la dirección opuesta, a través de
la Tierra, se sitúa el nadir. Las direcciones principales sobre el plano horizontal
son la norte-sur, intersección con el plano meridiano del lugar, y la
perpendicular a ella este-oeste, intersección con el plano denominado primer
vertical (Jutglar, 2011).
2.1.3.1.1. Definiciones para observador
terrestre
Zenit: es la línea perpendicular al plano horizontal en el punto del
observador.
Masa de aire (AM): Es la razón entre el grosor óptico de la atmósfera que
debe atravesar el haz de luz en un momento dado con respecto al grosor
óptico si el Sol estuviera en el zenit. Por lo anterior, m = 1 cuando el Sol
está en el zenit. Para un ángulo zenit dado y una altura local (m.s.n.m)
de h, se cumple que
Inclinación ( ): ángulo entre plano fotovoltaico y la horizontal.
Latitud del lugar ( ): es la complementaria del ángulo formado por la
recta que une el zenit y el nadir (intersección entre la vertical del
observador y la esfera celeste) con el eje polar. Es positivo hacia el norte
41
y negativo hacia el sur, es decir la posición angular con respecto al
Ecuador.
Meridiano del lugar: círculo máximo de la esfera terrestre que pasa por el
lugar, por el zenit y por el nadir.
Ángulo zenital ( ): es el ángulo formado por el radio vector punto-Tierra
y la vertical del lugar. Es positivo a partir del zenit.
Altura solar ( ): ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie
horizontal. Ángulo complementario de la distancia zenital. ver figura 3.
Ángulo azimutal ( ): ángulo formado por la proyección del Sol sobre el
plano del horizonte con la dirección sur. Positivo 0º a 180º hacia el oeste
y negativo hacia el este 0º a -180º.
Declinación: la posición angular del sol a mediodía con respecto al plano
del Ecuador.
Figura 12. Trayectoria solar durante el día
Fuente: DOMÍNGUEZ GONZÁLEZ, Héctor. Diseño de un sistema fotovoltaico para la
generación de energía eléctrica en el Cobaev 35, Xalapa, Mex. p. 156.
42
La declinación puede ser descrita por la ecuación, dado en grados
Contados el número de días a partir del 21 de marzo que corresponde al
equinoccio de primavera. Por ejemplo, tomando como origen 21 de marzo, el 15
de enero habrán transcurrido 300 días y aplicando la fórmula se obtiene:
°
Caso contrario se puede aplicar la fórmula y se contabiliza a partir del 1 de enero:
Donde n es el día Juliano del año. Este ángulo se mide para un sistema de
referencia en el centro de la Tierra y con el eje “z” en el eje norte sur de la
Tierra. Debido a la inclinación propia de la tierra ( ), este ángulo tiene un
valor igual a en el solsticio de invierno y en el solsticio de verano
(solsticios referidos al hemisferio sur) como se observa en la siguiente figura 13.
43
Figura 13. Diseño de un sistema fotovoltaico para la generación de
energía eléctrica en el Cobaev
Fuente: DOMÍNGUEZ GONZÁLEZ, Héctor. Diseño de un sistema fotovoltaico para la
generación de energía eléctrica en el Cobaev 35, Xalapa, Mex. p. 156.
La ecuación que relaciona el ángulo de incidencia del haz de radiación
directa, , y los otros ángulos es :
44
Para superficies horizontales, , el ángulo de incidencia es igual al
ángulo de zenit del Sol, , el cual puede calcularse como:
El ángulo de azimut del Sol ( ) puede ser calculado como:
2.1.4. Variaciones de la radiación solar
La variación del Sol varía diariamente desde el amanecer hasta el ocaso.
Si se observan las posiciones del Sol al amanecer, mediodía y atardecer en
cualquier lugar del hemisferio norte, se verá como sale por el este, se desplaza
en dirección sur y se pone por el oeste. En realidad, es la Tierra la que cada día
hace una rotación completa alrededor de su eje, eso crea en el observador la
sensación de permanecer estático, mientras que el universo gira a su alrededor.
Por tanto, aunque es la Tierra la que gira, se tiene la costumbre de decir que es
el Sol el que cada día realiza este recorrido, aunque este es, como se sabe, un
movimiento aparente.
Las condiciones óptimas de operación implican la presencia de luz solar
plena y un panel orientado lo mejor posible hacia el Sol, con el fin de
aprovechar el máximo la luz directa. Para aprovechar al máximo esa radiación
solar, la orientación de los paneles se hace hacia el sur en el hemisferio norte y
hacia el norte en el hemisferio sur, es decir, siempre se instalarán mirando al
Ecuador.
45
2.1.5. Horas de pico solar
Este es un parámetro fundamental para el dimensionado de los sistemas
fotovoltaicos. Corresponde al número de horas en las que cada metro cuadrado
de su superficie captadora, obtiene de modo constante 1 000 watts de energía.
Lo módulos fotovoltaicos se caracterizan bajo unas condiciones determinadas
que son tomadas como referencia y que se denominan ‟Condiciones Estándar
de Medida”. Estas son:
1 kW/m2 de radiación solar
25 °C de temperatura de las células fotovoltaicas
Incidencia normal
Si se quiere evaluar la energía que el panel fotovoltaico puede producir
diariamente, habría que conocer cuántas horas diarias con una radiación de
1 000 W/m² equivalen a la radiación total diaria (la correspondiente a la
inclinación del panel fotovoltaico). Este concepto se denomina Horas Pico Solar.
La máxima potencia generada en estas condiciones por cada módulo
fotovoltaico se mide en WP (vatios pico). A esta potencia se le denomina
Potencia Nominal del Módulo.
La energía producida por los sistemas fotovoltaicos es el resultado de
multiplicar su potencia nominal por el n° de horas pico, dado que no todas las
horas del Sol son horas de intensidad considerada como pico (esto es 1 000
W/m²). El número de horas pico de un día concreto se obtendrá dividiendo toda
la energía producida en ese día entre 1 000 W/m². En Guatemala, la media de
horas solares pico es de 4,5 a 5,5 horas.
46
Figura 14. Media de horas solares pico
Fuente: Radiación difusa. http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html. Consulta: 15 de abril de
2014.
2.1.6. Principios de conversión fotovoltaica
Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares,
porque la energía que liga a los electrones de valencia al núcleo es similar a la
energía que poseen los fotones que constituyen la luz solar. Por lo tanto,
cuando la luz solar incide sobre el semiconductor (generalmente silicio), sus
fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de
valencia para que se rompan los enlaces y queden libres de circular por el
material. Por cada electrón que se libera, aparece un hueco. Dichos huecos se
comportan como partículas con carga positiva (+). Cuando en el semiconductor
se generan pares electrón-hueco debido a la absorción de la luz, se dice que
hay una foto generación de portadores de carga negativos y positivos, los
cuales contribuyen a disminuir la resistencia eléctrica del material. Este es el
principio básico de operación de las fotorresistencias.
47
Cuando la radiación luminosa en forma de fotones es absorbida por los
semiconductores se generan, en exceso de su concentración en equilibrio,
pares de portadores de carga eléctrica, electrones y huecos, los cuales deben
ser separados para poder usar la energía que cada uno representa. Estos
portadores, generados por la energía de los fotones, viajan bajo un gradiente de
concentración hacia la unión en donde son separados por efecto del campo
eléctrico. Esta separación envía electrones fotogenerados a la capa n y huecos
fotogenerados la capa p, creándose una diferencia de potencial entre las
superficies superior e inferior de las capas.
La acumulación de cargas en las superficies del dispositivo da como
resultado un voltaje eléctrico que se mide externamente. La unidad de medición
es el voltio. Este voltaje fotogenerado es lo que se conoce como efecto
fotovoltaico.
Figura 15. Efecto fotovoltaico
Fuente: Investigación solar.
http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/03_celula/01_basic
o/3 _celula_04.htm. Consulta: 18 de mayo de 2014.
48
Si se establece un circuito eléctrico externo entre las dos superficies, los
electrones acumulados fluirán a través de el regresando a su posición inicial.
Este flujo de electrones forma lo que se llama una corriente fotogenerada o
fotovoltaica (FV).
Bajo condiciones de circuito abierto VCA el efecto FV genera una diferencia
de potencial entre la parte superior y la inferior de la estructura. Y bajo
condiciones de cortocircuito, el proceso genera una corriente eléctrica ICC que
va de la parte positiva a la negativa (dirección convencional para la corriente
eléctrica).
Figura 16. Aerogeneradores
Fuente: Efecto fotovoltaico en la celula solar. http://aerogeneradores-energia-
eolica.blogspot.com/2014/02/efecto-fotovoltaico-en-la-celula-solar.html. Consulta: 19 de mayo
de 2014.
2.1.7. La célula fotovoltaica
Para aprovechar en forma de energía eléctrica, la energía que llega a la
Tierra en forma de radiación solar, se empelan unos dispositivos llamados
paneles solares. El material que se emplee para su fabricación debe ser
49
especialmente sensible a la radiación de la luz solar, ya que el efecto de
conversión resulta de la interacción entre los fotones y los átomos que
constituyen el material con el que se fabrican.
Figura 17. Célula fotovoltaica
Fuente: Eficiencia celula solar.
http://www.muycomputer.com/2009/05/23/actualidadnoticiasrecord-eficiencia-celula-
solar_we9erk2xxdajitihr-p4ppnfhg9lcrminjuhnbnmj05knuvhzpfrm7f9si-k5fny. Consulta: 11 de
abril de 2014.
Con dicho material (sensible a la radiación solar) se construyen las células
solares. Físicamente, una célula solar no es más que un diodo con una
superficie muy amplia, que puede llegar a decenas de centímetros cuadrados.
La mayor parte de las células solares que se comercializan en la actualidad son
de silicio. Es un elemento que se encuentra en todo el mundo, ya que forma la
arena (dióxido de silicio, SiO2). En su forma más pura, el silicio semiconductor
se emplea en la industria de la microelectrónica, donde es la base de los
microchips.
Las células o celdas solares se fabrican a partir de planchas de este
material. Generalmente, una célula fotovoltaica tiene un grosor que varía entre
los 0,25 y los 0,35 mm y una forma normalmente cuadrada, con una superficie
50
aproximada igual a los 100 cm². El proceso de fabricación varía según las
cualidades que se quieran obtener (rendimiento, flexibilidad, economía): a más
pureza, más altos son los costes, para una calidad que no a va a suponer un
incremento sustancial del rendimiento.
Las celdas solares de silicio pueden constituirse de cristales
monocristalinos, policristalinos o de silicio amorfo. La diferencia entre ellas
radica en la forma en que están dispuestos los átomos de silicio en la estructura
cristalina: es la estructura cristalina la que hace que tenga características
diferentes.
2.1.7.1. Tecnología fotovoltaica
En su trabajo de tesis el Ing. Héctor Domínguez explica que la tecnología
fotovoltaica se aplica utilizando materiales sólidos, especialmente en los
materiales semiconductores, en donde se han encontrado eficiencias
aceptables de conversión de energía luminosa o eléctrica. Existen diferentes
materiales semiconductores con los cuales se puede elaborar celdas solares
pero el que utiliza comúnmente es el silicio en sus diferentes formas de
fabricación.
Silicio monocristalino: se componen de secciones de un único cristal de
silicio (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los cuatro lados
cortos, si se observa se aprecia que son curvos, debido a que es una célula
circular recortada). Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy
alta pureza. La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 18 %. Los
módulos con estas celdas son los más maduros del mercado. Proporcionando
con esto confiabilidad en el dispositivo de tal manera que algunos fabricantes
los garantizan hasta por 25 años.
51
En la tabla VIII aparecen algunos materiales con los que están hechas las
celdas solares que se fabrican, sus eficiencias máximas y el área de captación
de cada una de ellas.
Tabla VIII. Eficiencia y área de los materiales utilizados en las celdas
solares
Eficiencia máxima (%) Área (cm2)
Silicio Amorfo 8 0,04
Sulfuro de Cadmio 10 1,00
Silicio Monocristalino 18 2,00
Silicio Policristalino 7-14 2-3
Arseniuro de galio 22 0,10
Teluro de cadmio 8-9 0,02
Fuente: ALONSO, C.; RODRÍGUEZ V. Alternativas energéticas. p. 128.
Silicio policristalino: su nombre indica que estas celdas están formadas por
varios cristales de silicio. Esta tecnología fue desarrollada buscando disminuir
los costos de fabricación. Dichas celdas presentan eficiencias de conversión un
poco inferiores a las monocristalinas hasta el orden del 14 %. La garantía del
producto puede ser hasta por 20 años dependiendo del fabricante.
Silicio amorfo: la palabra amorfo significa carencia de estructura
geométrica es decir el silicio no se ha cristalizado. Los átomos de silicio que
forman el sólido no tiene el patrón ordenado característico de los cristales como
es el caso del silicio cristalino. La tecnología de los módulos de silicio amorfo
ha estado cambiando aceleradamente en los últimos años. En la actualidad su
eficiencia ha subido hasta establecerse en el rango promedio de 8 % y promete
incrementarse.
52
La producción del 2006 estuvo marcado por las películas de silicio
cristalino, además la mayoría de los mercados siguen siendo dependientes del
apoyo público, los subsidios de inversión o incentivos fiscales.
Tabla IX. Comparativo en la producción fotovoltaica del 2006
Fuente: GABRIEL, P. G. Los próximos 500 años, Red Universitaria Argentina/España. p. 98.
La empresa Wafer tiene como base una producción de células solares de
silicio y sigue siendo la principal tecnología, tiene alrededor de 80 % en las
cuotas de mercado del 2009. Las células solares policristalinos siguen
dominando el mercado (45 a 50 %), aunque las ventas del mercado están
disminuyendo lentamente desde 2003.
Los aumentos de la capacidad masiva de ambas tecnologías son seguidos
por las ampliaciones de capacidad necesarios para el material de polisilicio. El
rápido crecimiento de la industria fotovoltaica desde el 2000 llevó a la situación
en la que entre 2004 y principios de 2008, la demanda de polisilicio superó a la
oferta de la industria de los semiconductores, los precios del silicio purificado
comenzó a subir de forma pronunciada en 2007 y en 2008 los precios de
polisilicio alcanzó su punto máximo.
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
2006 2009 2010 2012 2015
Producción fotovoltaica en el 2006
Silicio cristalino
Película delgada
53
Para el 2009, alrededor de 88 000 toneladas métricas de producción de
silicio solar para la generación de energía eléctrica, suficiente para generar
alrededor de 11 GW en el supuesto de utilizar en promedio de 8 g / Wp. China
produjo cerca de 18 000 toneladas métricas o 20 % que cumplen
aproximadamente la mitad de la demanda interna.
De acuerdo con el Ministerio Chino de Industria y Tecnología de la
Información unas 44 000 toneladas métricas de polisilicio de producción y se
alcanzó con una capacidad de 68 000 toneladas métricas en construcción en el
2009.
La proyección de la capacidad de producción de silicio disponible para la
energía solar en el 2012 oscila entre 140 000 toneladas métricas de los
productores de polisilicio, hasta 185 000 toneladas métricas, incluyendo los
nuevos productores y 250 000 toneladas métricas.
El estado actual de la tecnología fotovoltaica existe en el mercado desde
las más comunes que son los de diseño de homounión, que son los de silicio
cristalino y están compuestos por los de: monocristalino, policristalino grueso y
policristalino delgados.
También existen los de película delgada policristalina, estos están
integrados por cobre-indio-galio- diselenio, teluro-cadmio y los de galio-indio
policristalino, dentro de este grupo también están los de película delgada
amorfas el más conocido de este grupo es el silicio-amorfo.
El consumo de materiales puede disminuir a partir de la actual de 8 g / Wp
a 7 g / Wp, o incluso de 6 g / Wp, pero esto no se puede lograr por todos los
fabricantes. Más de 150 empresas participan en la película delgada proceso de
54
producción de células solares, que van desde las más grandes instalaciones de
producción.
Los primeros 100 MW de película delgada se convirtió en fábricas en
funcionamiento en 2007. Si todos los planes de expansión se realiza en el
tiempo, de película fina capacidad de producción podría ser 20 GW o 36 % del
total de 56 GW en 2012 y 23 GW, un 34 % en el 2015 de un total de 67 GW.
Tabla X. Tabla comparativa de celdas solares según su tecnología
Fuente: elaboración propia.
2.1.8. Paneles solares, características y modelos de mercado
Los módulos o paneles solares son los elementos fundamentales de
cualquier sistema solar fotovoltaico y su misión es captar la energía solar
incidente, para genera una corriente eléctrica. Las células solares constituyen
un producto intermedio de la industria fotovoltaica ya que proporcionan valores
de tensión y corriente muy pequeños, en comparación a los requeridos
normalmente por los aparatos convencionales. Son extremadamente frágiles,
eléctricamente no aislados y carecen de soporte mecánico, por eso una vez
Tecnología Símbolo Característica Eficiencia de celdas en laboratorio (%)
Eficiencia típica en módulos comerciales
(%)
Silicio monocristalino sc-Si Tipo oblea 24 13 – 15
Silicio policristalino mc-Si Tipo oblea 19 12 – 14
Películas de silicio cristalino sobre cerámica
f-Si Tipo oblea 17 (8 – 11)
Películas de silicio cristalino sobre vidrio
Película delgada 9
Silicio amorfo (incluye tándems siliciogermanio)
a-Si Película delgada 13 6 – 9
Diseleniuro de cobre-
indio / galio CIGS Película delgada 18 (8 – 11)
Telurio de cadmio CdTe Película delgada 18 (7 – 10)
Celdas orgánicas (incluye celdas de TiO2 sensibles a la humedad)
Película delgada 11
Celdas tándem de alta eficiencia
III-V Tipo oblea y película
delgada 30
Celdas concentradoras de alta eficiencia
III-V Tipo oblea y película
delgada 33 (tándem) 28 (solo)
55
fabricadas, deben ser ensambladas de la manera más adecuada para constituir
una estructura única, rígida y hermética: el panel fotovoltaico.
2.1.8.1. Estructura de los paneles solares
Cada fabricante adopta una forma de empaquetar diferente al construir el
panel FV. Sin embargo, ciertas características son comunes a todos ellos, como
el uso de una estructura de sándwich, donde ambos lados de las células
quedan mecánicamente protegidos.
Los paneles solares están formados por los siguientes elementos: cubierta
frontal, material encapsulante, células o celdas solares y sus conexiones
eléctricas, cubierta posterior y marco metálico.
Cubierta frontal: sirve para proteger las células contra las inclemencias el
tiempo o contra impactos. Es de vidrio templado de 3-4 mm de espesor.
Favorece la transmisión hacia el material semiconductor.
Material encapsulante: se encuentra entre el vidrio y las células, también
las recubre por la parte posterior. Como material encapsulante se emplea
un copolimero denominado EVA (etileno-vinil-acetato), es un material que
tiene un índice de refracción similar al vidrio.
Cubierta posterior: sirve de protección y cerramiento al módulo,
fundamentalmente contra los agentes atmosféricos, ejerciendo una
barrera infranqueable contra la humedad.
56
Marco metálico: es la parte que le da rigidez y permite que se pueda
montar formando estructuras. Es de aluminio anodizado, acero inoxidable
o similar.
En la parte posterior se sitúan las cajas de conexiones eléctricas. Deben
ser además accesibles, con un grado de protección adecuado, cableado
protegido contra la humedad y los fenómenos atmosféricos. Los cables que se
utilizan en las instalaciones fotovoltaicas son de sección superior a los utilizados
en instalaciones convencionales, debido a la utilización de bajas tensiones
continuas y a requerimientos de potencia de cierta consideración.
La caja de conexiones contiene también unos diodos de by-pass (diodos
de paso) que protegen individualmente a cada panel de posibles daños
ocasionados por sombras parciales, impidiendo que la células sombreadas
actúen como receptores o carga.
2.1.8.2. Características de los paneles
Elemento que permite usar los rayos del sol como energía. Lo que hacen
estos dispositivos es recoger la energía térmica o fotovoltaica del astro y
convertirla en un recurso que puede emplearse para producir electricidad o
calentar algo.
2.1.8.2.1. Parámetros eléctricos que
definen un módulo
fotovoltaico
Intensidad de cortocircuito (ICC o ISC): se mide la corriente entre los bornes
de un panel, cuando estos se cortocircuitan (V=0). La intensidad de cortocircuito
57
de un módulo es igual a la de una de sus células multiplicada por el número de
filas conectadas en paralelo. Es la máxima intensidad que se puede obtener de
un panel.
Tensión Nominal (VN): Es el valor de la tensión a la cual trabaja el panel.
Tensión a circuito abierto (VCA O VOC): es el máximo voltaje, que se
mediría entre los bornes de un panel si se dejaran los terminales en circuito
abierto (I=0). Esta medida se toma conectando un voltímetro entre los bornes
del módulo cuando no hay carga conectada entre sus extremos. La tensión de
circuito abierto de un módulo es la de cada una de sus células por el número de
células conectadas en serie.
Intensidad de potencia máxima (IPmax): es el valor de la corriente que
puede suministrar el panel cuando trabaja a máxima potencia.
Tensión de potencia máxima (VPmax): es el valor de la tensión cuando la
potencia también es máxima, cuando el panel está suministrando la máxima
intensidad de corriente.
Potencia máxima (PM): es el máximo valor obtenido al multiplicar la
intensidad IPmax (intensidad cuando la potencia es máxima o corriente en el
punto de máxima potencia) y VPmax (tensión cuando la potencia también es
máxima o tensión en el punto de máxima potencia). También se le llama
potencia de pico del módulo o panel (WP).
58
Curva V-I
Todo generador tiene una curva típica para la potencia de salida en
función de la corriente de carga y los paneles fotovoltaicos no son una
excepción. La curva V-I de un panel FV proporciona, indirectamente, la
relación mencionada, ya que asocia los valores de V e I para diferentes
cargas. Solo se conecta una cierta carga eléctrica al panel, el punto de
trabajo vendrá determinado por la corriente I y la tensión V existentes en
el circuito. Estos habrán de ser menores que los ICC y VCA definidos
anteriormente.
La potencia (P) que el panel entrega la carga está determinada por P =
VxI.
La potencia disponible en un panel fotovoltaico en un punto cualquiera de
la curva se expresa en vatios.
El cortocircuito se produce en un punto donde el voltaje es cero. En el
punto de cortocircuito, la potencia de salida es cero, ya que el voltaje es
cero.
El circuito abierto se produce cuando la corriente es cero. En el punto de
ciruto aierto la potencia de salida también es cero, pero ahora es porque
la corriente es cero.
La intensidad, en amperios, se representa en el eje vertical (eje Y) y la
tensión, en voltios, en el horizontal (eje X).
59
Figura 18. Energia solar fotovoltaica y sus aplicaciones
Fuente: Energia fotovoltaica y sus aplicaciones.
http://www.monografias.com/trabajos82/energia-solar-fotovoltaica-y-sus-aplicaciones/energia-
solar-fotovoltaica-y-sus-aplicaciones2.shtml. Consulta: 22 de junio de 2014.
Las características del panel, están definidas para las condiciones
estándar de media (CEM 1kW/m2, 25 °C, A.M. 1,5).
Curva V-I en función de la irradiancia
El comportamiento eléctrico de un módulo varía además con la irradiancia
solar. La corriente proporcionada por un módulo fotovoltaico es directamente
proporcional a la energía solar recibida. La intensidad aumenta con la radiación,
permaneciendo el voltaje más o menos constante, por lo tanto, habrá aumento
de potencia.
60
Figura 19. Comportamiento eléctrico de un módulo
Fuente: Energia fotovoltaica y sus aplicaciones.
http://www.monografias.com/trabajos82/energia-solar-fotovoltaica-y-sus-aplicaciones/energia-
solar-fotovoltaica-y-sus-aplicaciones2.shtml. Consulta: 22 de junio de 2014.
Curva V-I en función de la temperatura
La exposición al Sol de las células provoca su calentamiento, lo que lleva
aparejados cambios en la producción de electricidad; así, la tensión generada
varía de forma inversamente proporcional a la temperatura de las células, sin
que esto provoque cambios en la corriente de salida. Altas temperaturas en el
módulo reducen de 0,04 a 0,1 voltios por cada grado centígrado que sube la
temperatura. Por esta razón, los paneles FV no deberían ser instalados
directamente sobre una superficie, sino que debe permitirse al aire circular por
detrás de cada módulo para que su temperatura no suba. Es necesario un
espacio de unos 10 cm para proporcionar ventilación adecuada. La temperatura
de las células es superior a la temperatura ambiente, por el calentamiento a la
que la somete la radiación solar.
61
Figura 20. Curva V-I en función de la temperatura
Fuente: La eficiencia de los paneles solares. http://www.zonnepanelen-
info.nl/zonnepanelen/rendement-zonnepanelen/. Consulta: 16 de junio de 2014.
2.2. Componentes de diseño de un generador fotovoltaico
Un generador fotovoltaico comprende una variedad de componentes tales
como: módulos, estructuras de soporte, diodos de bypass, diodos de bloqueo,
fusibles, cables y terminales, dispositivos de protección contra sobretensiones
(varistores), seccionadores o interruptores y cajas de conexión.
2.2.1. Generador fotovoltaicos conectados a red
Consiste básicamente en un generador fotovoltaico acoplado a un inversor
que opera en paralelo con la red eléctrica convencional.
2.2.1.1. Definición de un sistema fotovoltaico
conectado a red
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica (SFCR)
constituyen una de las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica, que más
62
atención están recibiendo en los últimos años, dado su elevado potencial de
utilización en zonas urbanizadas próximas a la red eléctrica. Estos sistemas
están compuestos por un generador fotovoltaico que se encuentra conectado a
la red eléctrica convencional a través de un inversor, produciéndose un
intercambio energético entre esta y el sistema fotovoltaico, característico de
este tipo de instalaciones. Así, el sistema inyecta energía en la red cuando su
producción supera al consumo local, y extrae energía de ella en caso contrario.
La diferencia fundamental entre un sistema fotovoltaico autónomo y los
conectados a red, consiste en la ausencia, en este último caso, del subsistema
de acumulación, formado por la batería y la regulación de carga. Además, el
inversor, en los sistemas conectados a red, deberá estar en fase con la con la
tensión de la red.
En la figura 21 se presenta el esquema tipo de un sistema fotovoltaico
conectado a red:
Figura 21. Esquema sistema fotovoltaico conectado a red
Fuente: GONZÁLES G Raúl. Humberto R. Jiménez G. y Javier Lagunas M.Sistemas
fotovoltaicos conectados a red de Boletín IIE, Consulta: 22 de junio de 2014.
Re
Acometi
Invers
Punto
Interconexi
Medid
Bidireccio
Kw
63
2.2.1.2. Tipos de instalaciones fotovoltaicas
conectadas a red
Como se ha venido comentando hasta ahora, existen dos tipos de
aplicaciones de la energía solar fotovoltaica: los sistemas aislados y los
conectados a la red.
Aun conociendo la variedad de posibilidades que ofrece el primer tipo de
instalaciones, es importante considerar los sistemas conectados a red, ya que
ofrecen una diferenciación en lugares (por ejemplo: Europa) donde los niveles
de electrificación están llegando a un nivel de saturación.
La ventaja de esta tecnología fotovoltaica está en la posibilidad de crear
una instalación a partir de un gran número de sistemas descentralizados,
distribuidos en los puntos de consumo, frente a la instalación en grandes
superficies, con lo que se consigue eliminar las pérdidas por transporte.
Se enumeraron anteriormente las aplicaciones de las instalaciones
fotovoltaicas conectadas a red: instalaciones de energía fotovoltaica para
edificación bioclimática, en edificios para posterior suministro a la red eléctrica,
para la creación de centrales eléctricas y para refuerzo a finales de línea. Todas
estas aplicaciones pueden dividirse en dos grandes subgrupos: los sistemas
fotovoltaicos en edificios y las centrales o huertos solares.
2.2.1.3. Sistemas fotovoltaicos en edificios
Los edificios que integran sistemas fotovoltaicos se conocen como
Sistemas Fotovoltaicos Integrados en Edificios (SFIE) o Edificios Fotovoltaicos
Conectados a Red (EFCR) (Building Integrated Photovoltaic Systems, BIPV).
64
Tienen como función específica entregar toda la energía generada por el
sistema a la red eléctrica.
Los primeros EFCR instalados en Europa surgieron al final de los años 80
en Alemania,
En España, por ejemplo el primer edificio institucional que funcionó fue el
Instituto Solar de la Universidad Politécnica de Madrid, en 1994. Al día de hoy,
los edificios fotovoltaicos significan un 42 % del total de la energía consumida
en Europa. La mayoría de los sistemas fotovoltaicos en edificios (viviendas,
centro comerciales, naves industriales entre otros) se montan sobre tejados y
cubiertas, pero se espera el aumento de instalaciones integradas en tejas y
otros materiales de construcción. Estos sistemas fotovoltaicos son de pequeño
a mediano tamaño, lo que supone una potencia de 5 kW a 200 kW, aunque a
veces se supere este valor y se llegue al orden de los MW.
Otros sistemas pueden reemplazar a los componentes de las fachadas.
Las fachadas fotovoltaicas son elementos muy fiables y aportan un diseño
moderno e innovador al edificio mientras producen electricidad, como se
aprecia en la figura 22.
65
Figura 22. Edificio con fachada fotovoltaica
Fuente: BRETÓN RAMIRO, Pedro Antonio. Energia Solar. www.saecsaenergiasolar.com.
Consulta: 25 de mayo de 2014.
2.2.1.4. Huertos o centrales eléctricas fotovoltaicas
Los huertos fotovoltaicos son agrupaciones de instalaciones fotovoltaicas
individuales, pertenecientes a distintos titulares, situados en un terreno o
parcela que reúne unas condiciones óptimas para producir energía fotovoltaica
(ver figura 23).
Los huertos fotovoltaicos ofrecen varias ventajas como:
El incremento de la rentabilidad del proyecto al abaratar costes en
infraestructura, mantenimiento, limpieza, vigilancia y gestión
administrativa.
Los generadores fotovoltaicos se pueden adquirir a precios inferiores
debido al volumen de unidades de compra.
66
Los pocos efectos medioambientales negativos se concentran en zonas
con escaso valor medioambiental.
Se generan nuevos puestos de trabajo alrededor de las zonas de
instalación.
Permite la inversión en instalaciones fotovoltaicas de cualquier persona,
aún sin disponer de un terreno propio adecuado.
Los elementos comunes en un huerto son los paneles fotovoltaicos, que
pueden ser fijos o con rotores giratorios para seguir el movimiento del Sol, lo
cual permite un aumento en la capacidad de captación de la radiación. La
mayoría de los fabricantes de paneles solares garantizan un 80 % de
producción de energía durante los primeros 25 años de vida. La electricidad
generada por los paneles fotovoltaicos es corriente continua y debe convertirse
en corriente alterna, para su vertido a la red, mediante el empleo de un inversor.
Figura 23. Huerto solar fotovoltaico
Fuente: Parques solares de Navarra – España.
67
En cuanto a la rentabilidad económica que ofrecen los huertos solares,
debe tenerse en cuenta que esta dependerá de la cantidad de kilovatio hora
inyectados a la red, concepto relacionado directamente con la radiación solar
que recibe y recoge la instalación, en un determinado lugar. Por lo general, la
rentabilidad aproximada oscila entre el 10 y el 12 % anual, y está garantizada
porque la fuente de energía, el Sol, es inagotable.
2.2.1.5. Formas de conectarse a la red
Tanto los sistemas fotovoltaicos en edificios como en los huertos, logran
que la electricidad generada se consuma en el lugar de producción; sin
embargo, financiera y administrativamente, se puede diferenciar dos formas de
conectarse a la red:
2.2.1.6. Tarifa fotovoltaica
En los países donde la legislación obliga a las compañías eléctricas a
aceptar la generación que conecta a sus redes y existe una tarifa para
recompensar el kilovatio hora de origen fotovoltaico, el sistema se suele
conectar directamente a la red eléctrica, de modo que se inyecta el 100 % de la
energía producida.
2.2.1.7. Facturación neta
Esta forma de conexión utiliza la electricidad fotovoltaica para consumo
propio y los excedentes se inyectan a la red. El sistema fotovoltaico se conecta
cerca del contador, en el lado del consumidor, reduciendo la necesidad de
comprar electricidad, con ello disminuye la factura de la compañía eléctrica, ya
que solo suministra la energía que no aportan los paneles. Cuando se produce
un excedente, este se vierte a la red y se puede recibir la tarifa fotovoltaica
correspondiente, si lo contempla la regulación.
68
Llevando a cabo una comparación entre ambos casos, se concluye que la
tarifa fotovoltaica, es mucho más eficaz para promover la fuente renovable,
exige la emisión de una factura y deben llevarse una contabilidad y los trámites
de una actividad económica, con la independencia del tamaño de la instalación.
En la facturación neta se obtiene un ahorro de consumo que no conlleva
ninguna carga burocrática.
El sistema en estudio proviene de una fuente considerada inagotable y
cuyo uso produce un mínimo impacto ambiental, es decir, que la generación
de CO2 es prácticamente nula.
En 1992, la Organización de las Naciones Unidas advirtió que la actividad
humana está afectando la temperatura del planeta, debido al incremento en la
concentración de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera (dióxido de
carbono, metano y óxido nitroso).
Estos gases se producen naturalmente y son fundamentales para la vida;
pues impiden que parte del calor solar regrese al espacio. Pero cuando su
volumen aumenta considerablemente, provoca temperaturas artificialmente
elevadas que modifican el clima. En un esfuerzo por frenar este problema, se
estableció la convención marco de las Naciones Unidas para el cambio
climático (UNFCCC), posteriormente se suscribió el Protocolo de Kyoto, por
medio del cual los países desarrollados y economías en transición se
comprometieron a reducir las emisiones de GEI (gases de efecto invernadero)
en un promedio de 5,2 % con respecto a 1990, entre 2008 – 2012 (Período de
compromiso).
La reducción de emisión de gases se cuantifica con los llamados “Bonos
de carbono”, que son muy bien pagados en un mercado que tiene como
69
compradores a los países más desarrollados que están obligados a contar con
determinada cantidad de bonos generados dentro o fuera de sus fronteras.
2.2.2. Opciones de estructura mecánica como soporte de los
paneles solares
Las estructuras soporte de los paneles fotovoltaicos son un componente
que debe ser elegido con criterios de seguridad y de cumplimiento con la
normativa sobre este tipo de instalaciones. Es de considerar especialmente el
parámetro de resistencia del soporte, ya que debe mantenerse estable entre
vientos fuertes y soportar el sobrepeso que puede provocar la caída de nieve
sobre paneles fotovoltaicos.
El número de puntos de sujeción para módulos fotovoltaicos debe ser el
suficiente para asegurar su instalación, sin que se produzca flexiones en los
módulos de valor superior a las especificadas por el fabricante. Asimismo,
permitirá fijar el ángulo de inclinación que corresponda de un modo seguro y sin
alteraciones ante vientos.
La estructura soporte debe estar protegida superficialmente contra la
acción de los agentes ambientales, por ejemplo mediante galvanizado en
caliente, con un mínimo de 80 micras y la tornillería debe ser como mínimo del
tipo galvanizado, excepto la empleada para sujetar los paneles fotovoltaicos,
que será de acero inoxidable. Si la estructura es de perfiles de aluminio
conformado en frío, esta debe cumplir la Norma NOM 001-SEDE-2005.
Existe en el mercado una amplia variedad de estructuras para adecuarse
a situaciones tales como las instalaciones en suelo, tejado, cubierta y postes.
La figura 24 muestra algunos ejemplos de los soportes.
70
Figura 24. Soportes utilizados en los paneles solares
Fuente: Técnicas de la Energía. www.atersa.com. Consulta: 16 de abril de 2014.
La estructura soporte puede ser, asimismo, del tipo seguidor del Sol, lo
que asegura una óptima captación de la radiación solar y con ello un aumento
notable en la eficacia de la instalación.
La estructura deberá soportar como mínimo una velocidad del viento de
150 Km/h. Esta estructura es la que fijará la inclinación de los paneles solares.
Hay varios tipos de estructuras: desde un simple poste que soporta 4 paneles
solares, hasta grandes estructuras de vigas aptas para aguantar varias decenas
de ellos.
Para anclar estos paneles se usará hormigón y tornillos de rosca (acero
inoxidable), siendo tanto la estructura como los soportes de acero inoxidable,
hierro galvanizado o aluminio anodinado, de un espesor de chapa 1 mm y han
de dejar una altura mínima entre el suelo y el panel de 30 cm, y en la montaña o
lugares donde llueve mucho, algo mayor, para evitar que sean alcanzados o
enterrados por la nieve o el agua.
71
Si se instalan mástiles, se tendrá que colocar de forma oblicua, y si su
base es de hormigón, se reforzará con tiras de acero o introduciendo piezas
metálicas en el hormigón cuando este esté blando, para que quede bien sujeto
(éste es el método más empleado). Pero si se montan las placas en postes, se
utilizarán flejes de acero inoxidable grapados o unidos con una hebilla del
mismo material.
2.2.3. Inversores de corriente
Es el equipo encargado de transformar la energía recibida del generador
fotovoltaico (en forma de corriente continua) y adaptarla a las condiciones
requeridas según el tipo de cargas, normalmente en corriente alterna y el
posterior suministro a la red. Los inversores vienen caracterizados
principalmente por la tensión de entrada, que se debe adaptar al módulo
fotovoltaico, la potencia máxima que puede proporcionar y la eficiencia. Esta
última se define como la relación entre la potencia eléctrica que el inversor
entrega a la utilización (potencia de salida) y la potencia eléctrica que extrae del
módulo (potencia de entrada).
Aspectos importantes que habrán de cumplir los inversores: deberán tener
una eficiencia alta, pues en caso contrario se habrá de aumentar
innecesariamente el número de paneles para alimentar la carga. Estar
adecuadamente protegidos contra cortocircuitos y sobrecargas. Admitir
demandas instantáneas de potencia mayores del 150 % de su potencia
máxima.
Inversores para conexión a la red eléctrica: la energía eléctrica procedente
de los paneles fotovoltaicos o la de los aerogeneradores puede adaptarse a las
condiciones técnicas impuestas por los organismos reguladores para inyectarla
72
en las redes de distribución de electricidad. La finalidad es económica; vender a
las compañías suministradoras de electricidad la energía excedente del
consumo propio o bien la totalidad de la generada, si la instalación en cuestión
se ha dispuesto para tal aplicación.
2.2.3.1. Configuración del inversor de red
El inversor para conexión a red es, fundamentalmente, un inversor de
DC/AC como los descritos en el apartado anterior para la instalación aisladas, al
que se han incorporado un circuito de sincronización de fase entre su salida de
corriente alterna y de la red de energía eléctrica a la que se conecta.
La condición previa para unir las líneas con corriente alterna a la de la red
de distribución y la salida del inversor, es que coincidan completamente sus
fases y sus voltajes. Por razones obvias, debe ser la red de distribución la que
enganche en fase de salida del inversor, lo que se lleva a cabo tomando
muestras periódicas.
El inversor se utiliza para obtener corriente alterna de salida en forma de
onda senoidal, para las condiciones monofásicas o trifásicas cumpliendo los
parámetros de voltaje y frecuencia requeridos por la línea a la que se acopla.
El inversor con conexión a la red se define por un conjunto de
especificaciones técnicas, siendo las más importantes las tensiones de entrada
y salida, la potencia suministrada y su exactitud de fase, en la tabla XI se
describen los parámetros de entrada, salida del convertidor de CD/CA.
73
Tabla XI. Datos generales de entrada y salida del convertidor de CD/CA
Parámetro Descripción
Datos de entrada
Potencia máxima de
los paneles
Dato referido a la potencia máxima pico (Wp) del conjunto de
paneles que se pueden conectar al inversor.
Rango de tensión Margen de la tensión de entrada al inversor. En este dato
también se puede indicar la máxima tensión de entrada en
vacío.
Corriente máxima Datos de la corriente máxima que pueda circular por el circuito
de entrada.
Datos de salida
Tensión nominal Valor de la tensión de salida, que pueda ser de forma
monofásica de 110 V o 230 V o trifásica de 230 V o 400 V.
Frecuencia Valor de la frecuencia de la corriente alterna de salida del
inversor.
Potencia nominal Valor de la potencia a régimen continuo que puede suministrar
el inversor.
Distorsión de onda Dato referido a la distorsión en (%) que presentan las ondas
senoidales de salida.
Factor de potencia Dato referido al factor de potencia (cos Ø) que presenta el
equipo.
DATOS GENERALES
Eficacia Dato referido al rendimiento del inversor dado en (%).
Presencia de datos Información sobre los medios que aporta el equipo para ofrecer
datos referidos a las diferentes situaciones que puede presentar
el inversor durante su funcionamiento.
Tales modos son generalmente la incorporación de led o dígitos
locales y un puerto serie destinado a un equipo informático
externo.
Fuente: Hojas técnicas.
http://www.conermex.com.mx/files/file/HojasTecnicas/04_Inversores/icmx_600_inversor_cdca_conermex.pdf. Consulta: 22 de mayo de 2014.
74
Sincronizador: la indicada condición de sincronización entre la tensión
alterna suministrada por el convertidor DC/AC y la de la red de
distribución se consigue con este bloque, el cual recibe inicialmente la
tensión de la red a través del transformador aislador descrito
anteriormente, e inicia el disparo del inversor, operación que se repite
ante cada ciclo, en coincidencia con su cruce por cero. Cualquier
alteración de fase entre el primario y el secundario da lugar a un aumento
de la corriente en circulación, lo que es detectado por los circuitos de
protección para introducir la corriente necesaria.
Control: bloque auxiliar del convertidor encargado de las entradas de
arranque/parada, configuración, entre otros y de las salidas destinadas a
dar información de situaciones. Tales salidas físicas pueden incidir en la
red, dígitos locales, o bien formar un bus serie destinado a un equipo
informático externo para la gestión y cómputo del suministro eléctrico a la
red.
El software: suministrado generalmente por los fabricantes de los
inversores, permite presentar en la pantalla del monitor todos los datos
de funcionamiento y de inyección de corriente en la red.
2.2.4. Protecciones eléctricas (NEMA)
Durante su funcionamiento toda instalación eléctrica puede presentar dos
estados operativos, al primero se le llamará Estado de Operación Normal, y se
presenta cuando todos los parámetros de la instalación (voltaje, amperaje,
frecuencia, temperatura de los conductores, entre otros) están dentro de los
parámetros previstos; el segundo le llamamos estado de operación anormal y
es cuando uno o más parámetros de la instalación eléctrica exceden las
condiciones previstas.
75
Cuando el estado de operación de la instalación eléctrica es anormal,
existen distintos tipos de fallas como pueden ser: la sobrecarga, las fallas de
aislamiento, un cortocircuito, dependiendo el servicio para el cual fue diseñado.
Cualquier instalación eléctrica por norma, debe estar provista de
protecciones, cuyo objetivo es reducir al máximo los efectos producidos por las
fallas mencionadas anteriormente, para esto las protecciones deben estar
dimensionadas adecuadamente según las características del circuito.
Las protecciones eléctricas más comúnmente utilizadas son:
Los fusibles
Los disyuntores termomagnéticos
NEMA: National Electrical Manufacturers Association (Asociacón
Nacional de Fabricantes de equipo Eléctrico).
La National Electrical Manufacturers Association (Asociación Nacional de
Fabricantes de equipos Eléctricos) es una asociación industrial
norteamericana, creada el 1 de septiembre de 1926, tras la fusión de la
Associated Manufacturers of Electrical Supplies (Fabricantes de Suministros
Eléctricos Asociados) y la Electric Power Club (Club de Potencia Eléctrica). La
sede principal está en el vecindario de Rosslyn, en Arlington (Virginia), y cuenta
con más de 400 miembros asociados. Este organismo es el responsable de
numerosos estándares industriales comunes usados en el campo de la
electricidad. Entre otros, la NEMA ha establecido una amplia gama de
estándares para encapsulados de equipamientos eléctricos, publicados como
NEMA Standards Publication 250.
76
El objetivo fundamental de NEMA es promover la competitividad de sus
compañías socias, proporcionando servicios de calidad que impactarán
positivamente en las normas, regulaciones gubernamentales y economía de
mercado.
Dependiendo de la aplicación industrial a la que va dirigida el
encapsulamiento, la NEMA define diferentes estándares, diseñados para cubrir
el nivel de protección necesario atendiendo a diferentes condiciones
ambientales. Un encapsulamiento NEMA típico puede responder a diferentes
agentes ambientales tales como: agua, polvo, aceites, refrigerantes, o
atmósferas que contengan agentes agresivos como acetileno o gasolina. En la
página de la NEMA puede consultarte una lista completa de dichos estándares.
Así que resumidamente se puede decir que NEMA es un conjunto de
estándares creado, como su nombre lo indica, por la Asociación Nacional de
Fabricantes Eléctricos (EE.UU.), y comprende NEMA 1, 2, 3, 3R, 3S, 4, 4X y 5.
Debido a que en la actualidad existen equipos diseñados para trabajo en
ambientes hostiles, estos deben cumplir con ciertos estándares que aseguren
su robustez y permitan a la gente saber hasta dónde pueden llegar en su
utilización. Para saber si un equipo, tal como una terminal portátil, un indicador
de peso, un lector de código de barras o un monitor son los adecuados para
una aplicación que funcionará bajo condiciones extremas, es necesario revisar
sus especificaciones mecánicas, donde generalmente se encontrarán grados
como los de NEMA.
Los estándares de NEMA más comúnmente encontrados en las
especificaciones de los equipos son los siguientes:
77
NEMA 1: uso interior, protección contra equipos cerrados.
NEMA 2: uso interior, protección contra equipos cerrados y una cantidad
limitada de gotas de agua.
NEMA 3 (3R), (3S): uso exterior, intemperie, protección contra contacto
con equipos cerrados, contra polvo soplado por viento, lluvia, lluvia con
nieve y resistencia contra la corrosión.
NEMA 4 (4X): uso interior y exterior, intemperie, protección contra
contacto con equipos cerrados, contra polvo soplado por viento, lluvia,
chorros fuertes de agua. No prevista protección contra congelamiento
interno.
NEMA 5: uso interior, protección contra equipos cerrados, partículas de
polvo flotando en el aire, mugre y gotas de líquidos no corrosivos.
NEMA 6 (6P): uso interior o exterior, protección contra equipos cerrados,
contra inmersión limitada (prolongada) en agua y contra acumulación de
hielo.
NEMA 7: uso interior, clasificados como Clase I. A prueba de explosión,
debe ser capaz de resistir la mezcla de gas y aire explosiva.
NEMA 8: uso exterior, clasificados como Clase I. A prueba de explosión,
contactos aislados en aceite.
78
NEMA 9: uso exterior, clasificados como Clase II. A prueba de explosión,
debe ser capaz de resistir la mezcla de gas y aire explosiva. Además
debe evitar la penetración de polvo.
NEMA 10: uso exterior y a prueba de explosión usado en las minas.
NEMA 11: interior, protección contra líquidos corrosivos.
NEMA 12: interior, líquido no corrosivo, ambiente industrial. Protección
contra goteo y polvo.
NEMA 12K: interior, líquido no corrosivo, ambiente industrial.
NEMA 13: polvo, agua rociada y refrigerante no corrosivos.
2.2.5. La caja general de protección
La caja general de protección es la encargada de salvaguardar toda la
instalación eléctrica de un posible cortocircuito o punta de intensidad la cual
afectaría a todos los componentes conectados a la red. Esta caja general de
protección podrá llevar tanto protecciones térmicas como fusibles. Es el lugar
donde se albergarán todas las conexiones provenientes de los inversores y
alimentarán una barra común.
2.2.6. Puesta a tierra
La instalación a tierra protege al usuario contra un cortocircuito o contra
los relámpagos, esta instalación es muy importante ya que delimita la tensión
que pueda presentarse en un momento dado en las masas metálicas de los
79
componentes, asegurando la actuación de las protecciones y eliminando el
riesgo que supone el mal funcionamiento o avería de alguno de los equipos.
Las tomas a tierra se establecen principalmente a fin de limitar la tensión que
puedan presentar en un momento dado las masas metálicas, asegurar la
actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una
avería en los materiales eléctricos utilizados.
2.2.7. Cableado para la conexión de los equipos
Es el encargado de conectar los distintos paneles solares con las cajas de
interconexión y con el resto de los equipos e instrumentos. Este cableado de
paneles se realizará con materiales de alta calidad para que se asegure la
durabilidad y la fiabilidad del sistema a la intemperie. El cableado y las
conexiones entre los equipos tendrán que tener el grado de protección NEMA 3.
Entre las conexiones eléctricas entre paneles se usará siempre terminales.
Los terminales de los paneles pueden ser bornes en la parte de detrás del panel
o estar situados en una caja de terminales a la caja espalda del mismo. En el
primer caso se tendrá capuchones de goma para la protección de los terminales
contra los agentes atmosféricos. En instalaciones donde se monten paneles en
serie y la tensión sea igual o mayor a 24 V se instalán diodos en derivación.
La sección del cable de conexión no debe de ser superior a 6 mm. Es
necesario también cuidar los sistemas de paso de los cables por muros y
techos para evitar la entrada de agua en el interior. Las técnica y tendido para la
fijación de los cables han de ser las habituales en una instalación convencional.
Los conductores pueden ir bajo tubo al aire, en el primer caso puede ir
empotrado o no. La sujeción se efectuará mediante bridas de sujeción,
procurando no someter un excesivo doblez a los radios de curvatura. Los
80
empalmes se realizarán con accesorios a tal efecto, usando cajas de derivación
siempre que sea posible.
El número de puntos de sujeción para módulos fotovoltaicos debe ser el
suficiente para asegurar su instalación, sin que se produzca flexiones en los
módulos de valor superior a las especificadas por el fabricante. Asimismo,
permitirá fijar el ángulo de inclinación que corresponda de un modo seguro y sin
alteraciones ante vientos.
81
3. DISEÑO DE UN GENERADOR FOTOVOLTAICO PARA EL
CENTRO UNIVERSITARIO DE NOROCCIDENTE
(CUNOROC), UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE
GUATEMALA, BAJO LA NORMATIVA DE GENERACIÓN
DISTRIBUIDA
El diseño que se desarrollará a continuación, se gestó cuando por parte
del director del Cunoroc, el Ing. Otto Salguero comentó sobre los costos altos
de la energía eléctrica consumida mensualmente y sobre las gestiones para
reducir dicho gasto ante la empresa eléctrica municipal de Huehuetenango, la
cual le pide se realice una extensión de línea en media tensión con un costo
alto. Se le propone como opción construir un generador solar, el cual vendría a
reducir significativamente el pago mensual, además de promover como
universidad el insertarse en el ámbito de instituciones que están ayudando al
medio ambiente y en este caso con la generación de energía renovable. Al final
se verá cual será la contribución mensual o anual en la reducción en la emisión
de dióxido de carbono y el impacto correspondiente y el análisis de costo-
beneficio.
Posteriormente se propuso por parte del director de Cunoroc el área que
podría utilizarse para la construcción del proyecto, encontrándose un predio
baldío utilizado por los estudiantes para sembrar follaje, estando el mismo sin
árboles que eventualmente habría que talar.
Ya con el área definida, se dispuso a realizar las medidas y determinar los
parámetros que serviría para conformar el diseño. Siguiendo el orden siguiente:
82
Determinación de ubicación y localización del Cunoroc, utilizando
coordenadas geo referenciadas.
Estimación de los parámetros de radiación e irradiancia en el punto de
estudio.
En función a la información real de facturación por consumo de energía
eléctrica, se elaborará una tabla para determinar la potencia activa
promedio mensual.
Investigación de equipo fotovoltaico disponible en el mercado.
Dimensionado de cada componente del generador fotovoltaico en
función al equipo seleccionado y las necesidades de carga eléctrica a
cubrir.
Estructura de soporte necesario y ubicación en el área dispuesta.
Sistema de cableado en CC y AC, conexiones, ductería, protección,
medición.
Estimación costos aproximados.
3.1. Determinación coordenadas geo referenciadas de la ubicación
del área donde se dispondrá el generador fotovoltaico o huerto
solar
El Centro Universitario de Noroccidente (Cunoroc), se encuentra ubicado
en el departamento de Huehuetenango, aldea Chivacabé, zona 12, sobre el
kilómetro 170 de la carretera Interamericana CA1.
Datos de ubicación: (geo referenciados)
Latitud: 15° 18’ 33” N (UTM-GPS 15.3091)
Longitud: -91° 31’ 56” O (UTM-GPS 91.5322)
a.s.n.m.: 1 877 metros (altura sobre el nivel del mar)
83
Figura 25. Ubicación del Cunoroc y área dispuesta
Fuente: Google Earth. https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-
bin/sse/[email protected]. Consulta: 2 de julio de 2014.
El área dispuesta o disponible es de 626,90 mts² (ver plano 1). Área
asignada por el director del centro, la cual cumple con las condiciones mínimas
para la distribución y/o montaje de los paneles. Además, la posición y altura del
Sol promedio durante el año permite tener una incidencia de este bastante buen
(ver anexo estudio de sombras).
Como en todo proyecto de una huerta o generador solar, se pretende
tener un área que cumpla con las condiciones básicas de diseño, estas son:
Libre de obstáculos (sombras)
Libre de paso continuo de personas
Promedio de Irradiancia anual ideal
Área Dispuesta
84
3.2. Estimación de radiación o irradiancia en los puntos previamente
seleccionados
Con los datos de ubicación y utilizando la base de datos disponible de la
NASA SSE (Surface meteorology and Solar Energy), se tienen los siguientes
datos de radiacion o irradancia para el punto en estudio: (ver tabla en anexo).
De la información anterior se tienen los valores promedio de diseño
siguientes:
Tabla XII. Datos de irradiancia y metereológicos
Fuente: elaboración propia.
Se hace notar que el promedio anual de irradiancia (kilovatio/hora/metro
cuadrado/día) es de 5,37, lo cual indica que el área donde se encuentra el
Centro Universitario de Nor-Occidente, presenta las condiciones ideales para el
diseño y construcción de un generador solar conectado a red. Además, los
máximos y mínimos en abril y noviembre respectivamente, tienen una variación
relativamente pequeña, + 15 % y -14 %, por lo que el valor promedio que se
tomará para el diseño será el más conveniente. (5,37 kWh/m2/d).
DATOS DE IRRADIANCIA Y METEOROLÓGICOS Max Abril Min Nov
Irradiancia promedio (Kwh/m2/d) 5,37 6,33 4,72
Temperatura aire promedio °C. 20,8
Temperatura tierra promedio °C. 22
Velocidad del viento promedio (m/s) 3
Humedad relativa promedio % 74,3
85
3.3. Determinación de carga eléctrica instalada y consumo real
Para el cálculo de carga y consumo de energía eléctrica en el campus del
Cunoroc, el director del mismo proporcionó facturas por un período de 12
meses (2013, y un mes del 2014), canceladas a Energuate, siendo el promedio
de consumo mensual de 5 122 kWh/mes o 171 kWh/día. Este dato es uno de
los más importantes debido a que el tamaño o dimensionamiento del generador
fotovoltaico dependerá del consumo real que se tiene. Ver detalle en tabla XIII.
Tabla XIII. Resumen de carga y consumo eléctrico Cunoroc
Fuente: elaboración propia.
3.4. Investigación sobre equipos fotovoltaicos disponibles en el
mercado
Debido al auge y crecimiento que ha tenido el mercado de la energía solar
en los últimos años, existen disponibles muchas marcas con diferentes
tecnologías. Se ha tornado en un producto estándar si así se le puede llamar,
ya que en su construcción y uso dependerán de las necesidades del usuario,
como también de la disponibilidad en el mercado local. En Guatemala, no se
fabrican aún, por lo que es necesario importar. La mayor parte son fabricadas
en China, maquiladas para varias empresas de prestigio con altos índices de
calidad, certificadas con normas ISO, UL, entre otros, pero también las hay no
ENERO
2013.
FEBRERO
2013.
MARZO
2013.
MAYO
2013.
JUNIO
2013.JULIO 2013.
AGOSTO
2013.
SEPTIEMPRE
2013.
OCTUBRE
2013.
DICIEMBRE
2013.JULIO 2014.
Activa kWh 4320 5280 5040 6240 3540 4200 6120 5880 6900 4260 4560 56340
Demanda kW 39,660 45,000 43,500 43,800 33,720 26,880 41,120 38,640 42,360 28,740 33,840 417,260
Reactiva kVARh 1,860 1,500 1,560 1,800 1,140 1,320 1,380 1,560 1,920 2,220 1,380 17,640
TOTAL FACTURA Q11 130,00 Q12 384,00 Q12 009,00 Q13 140,00 Q9 806,26 Q10 165,00 Q13 356,00 Q12 413,00 Q13 687,00 Q10 512,00 Q10 300,12 Q128 902,38
PROMEDIO
KWh/MES
PROMEDIO
KWh/día
5122 171
TABLA RESUMEN CARGA Y/O CONSUMO
TIPO DE
CONSUMO
PERIODO
TOTAL
86
de muy buena calidad, con tiempos de vida muy cortos o inestables, baja
potencia nominal y poco respaldo del proveedor por reclamo de garantía o
desperfectos de fábrica.
Entre las más utilizadas, mejor calidad y disponibilidad se tiene:
Tabla XIV. Paneles solares más usados en el mercado local
Fuente: Panel solar fotovoltaico. http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/panel-solar-
fotovoltaico-80158.html. Consulta: 19 de junio de 2014.
Para el proyecto, se ha seleccionado la marca Canadian Solar, modelo,
CS6X-P, ya que es la que mejor potencia nominal ofrece, dato importante que
se verá representado en el diseño que se verá más adelante. Además, algunas
empresas en Guatemala importan esta marca desde hace buen tiempo, con
resultados y respaldo que aseguran ser un producto que cumple con los
estándares de fabricación y garantiza la instalación.
87
3.5. Dimensionado de los componentes y cálculo de presupuesto del
GFV
Con la investigación realizada en la Universidad (Cunoroc), área
disponible y consumo eléctrico real, se hicieron los cálculos preliminares del
diseño.
Datos técnicos del panel solar seleccionado (ver ficha técnica detallada de
fabricante en anexo).
Tabla XV. Ficha básica de datos de fabricante del panel solar
seleccionado
Panel seleccionado: Max power CS6X-300 (Canadian Solar)
Potencia Nominal Pmax (w) 300
Voltaje óptimo de operación Vmp (volts) 36,1
Corriente óptima de operación Imp (amp) 8,3
Voltaje a circuito abierto Voc (Volts) 44,6
Corriente de cortocircuito Isc (amp) 8,87
Voltaje máximo del sistema (volts) 1 000
Eficiencia del módulo % 15,63
Dimensiones en mm 1 954x982x40
Área de panel en m2 1,92
Peso en kg (lbs) 22 (48,5)
Fuente: elaboración propia.
Es un panel de 300 watts de potencia nominal, sobre este parámetro y la
potencia real a proveer por día, se determinará la cantidad de paneles solares
que podrían suplir la necesidad de energía. Opera con un voltaje máximo de
36,1 voltios, aunque para el diseño se debe tomar el voltaje a circuito abierto
Voc=44,6 volts, este dato es importante para seleccionar el tipo, tamaño y
cantidad de inversores que se verá más adelante. El área que ocupa cada
88
panel, 1,92 mts2, ayudará a tener una idea del área necesaria que se tendrá
que disponer para instalar el conjunto de paneles solares según la topología
que se decida.
3.5.1. Características principales del GFV
Para obtener los parámetros iniciales de diseño es necesario empezar
haciendo los cálculos entre potencia suministrada por el panel, consumo en
kWh real y área disponible, teniendo lo siguiente: (ver tabla XVI)
Tabla XVI. Dimensionado y área necesaria
DIMENSIONADO PANELES SOLARES Y ÁREA
Potencia promedio/día (Wh/día) 170 727,27 *1
Potencia Nominal Panel W 300,00 *2
Horas promedio de radiación solar efectiva 5,00 *3
Potencia promedio a generar/día 34 145,45 *4
Número de paneles solares estimado 113,82 *5
Metros cuadrados efectivos de paneles solares 218,40 *6
ÁREA MÍNIMA REQUERIDA (m²) (x 60 % área paneles) 349,44 *7
ÁREA DISPONIBLE ASIGNADA EN Cunoroc (m²) 626,9 *8
Fuente: elaboración propia.
Siendo:
*1) La potencia real consumida en Watts/día, dato proporcionado en tabla 12. ,
como 171 kW/dia. Datos reales de facturación Energuate.
*2) Por datos del fabricante esta es la potencia nominal de diseño para
operación.
89
*3) Para el área de Huehuetenango y específicamente el Cunoroc, se tiene un
promedio de radiación diaria de 5 horas. Estimándose entre las 10:00 am y
3:00 pm, como rango aceptable.
*4) Es el resultante de dividir la potencia real consumida por día entre las 5
horas de radiación promedio diarias.
170,721 kW/día / 5 horas = 34,14 kWh a generar por día
*5) Este dato es el resultante de dividir ‟la potencia a generar por día entre la
potencia nominal por cada panel”. Resultando la cantidad de paneles del
sistema proyectado. Este dato se debe ajustar para crear la configuración
y/o topología necesaria para balancear el sistema y que los inversores
diseñados tengan un aporte homogéneo.
Asi: 34,14 kWh / 300 w = 114 paneles solares aprox.
*6) Como se tienen las dimensiones (ancho x alto) de cada panel y la cantidad
de paneles resultantes de diseño, esto se multiplica para tener el área que
ocuparían las celdas.
Área total mínima a disponer = 114 paneles x 1,92 mts2 = 218 mts2
*7) Por espaciamientos entre celdas o filas según su ordenamiento, por efecto
de sombras entre filas de paneles, es necesario tener un área mínima de
diseño, el cual se toma que debe ser del 60 % mayor que el área total
mínima que ocupan los paneles (criterio propio). En el presente caso, por el
área dispuesta y para usos varios del suelo, se ha dispuesto una separación
de 2 metros entre grupos de paneles. Se dejará a discreción del Cunoroc, el
uso del área debajo de cada grupo de paneles solares.
90
*8) Es el área que se tiene disponible para montar, ordenar o emplazar el
conjunto de paneles solares resultantes del diseño.
3.5.2. Paneles solares
Para el diseño se ha seleccionado el panel solar marca Canadian Solar,
modelo Max Power CS6X-300, el cual cumple con las condiciones de diseño
requeridas, sus parámetros más importantes están dados en la tabla XIV y la
hoja de datos del fabricante en el anexo.
3.5.3. Estructura de soporte y fijación en las áreas dispuestas
La función principal de la estructura soporte será la de servir de soporte y
fijación segura de los módulos fotovoltaicos, proporcionándoles la inclinación y
orientación óptimas, con objetivo de maximizar la generación de energía
eléctrica.
La estructura soporte empleada en el presente proyecto será del
fabricante local, Estructuras Metálicas (TEMI) de amplia experiencia. Además,
los costos se reducirán debido a que no debe contratarse empresa externa al
departamento de Huehuetenango.
Dicho modelo de estructura ha sido diseñada (ver Plano Estructura de
Soporte de cada Grupo y Detalle Base del Montaje del Inversor en anexo)
como sistema universal para montaje sobre cubierta plana. Los componentes
del mismo están preensamblados permiten una rápida y fácil instalación, tanto
de la estructura como de los módulos fotovoltaicos. Al disponer este tipo de
estructura con la inclinación de 15° (dicha inclinación viene dada por la fórmula
α = 3,7+0,69 x latitud, en el presente caso el Cunoroc se encuentra a latitud 15°
91
18’33”, 15,3091. Al aplicarla se tiene un ángulo de inclinación α = 14,26°, por
criterio propio se decide dejar el ángulo en 15°, como la más conveniente), se
tendrá una ventilación natural de la parte posterior de los módulos fotovoltaicos,
de manera que se mejora así las condiciones de trabajo de los mismos.
Todos los componentes de la estructura han sido fabricados en aluminio y
acero inoxidable, con el objetivo de lograr una alta vida útil y una elevada
resistencia a la corrosión, minimizando o haciendo prácticamente nulo el
mantenimiento de la misma y de una gran resistencia frente a las acciones de
agentes ambientales.
Las principales características del mismo son las siguientes:
Ubicación cubierta plana o suelo
Cargas máximas admitidas 1,900 Pa por cada 2,5 m² de superficie de
módulos por triangulo
Módulos fotovoltaicos con y sin marco
Disposición de los módulos en serie (hasta 12 m por estructura)
Orientación de los módulos, vertical y horizontal ángulo 15°, 20 °, 25 °, 30
Distancia del borde inferior del módulo al suelo de 8 a 10 cm
Normas/Certificaciones DIN 1055
Diseño de estructuras en aluminio, tipo de perfiles aluminio extruido (EN
AW 6063 T66, EN AW 6060 T6)
Tornillería acero inoxidable (V2A)
92
3.5.4. Inversor y topología del GFV
Para el proyecto he seleccionado el inversor marca Goodwe de la serie PV
1,5-500 kW, modelo GW4600-SS, siendo su ficha de datos general:
Tabla XVII. Ficha técnica básica de inversores a utilizar
Fuente: elaboración propia.
El inversor indicado se selecciona en función a la topología o distribución
de paneles solares, así como del voltaje que puede manejar dicho inversor. Por
ello en su topología se conforman 5 grupos de 26 paneles cada uno (2 cadenas
de 13 paneles). Agrupando en cada grupo dos filas de 13 paneles, los cuales se
organizan en dos subgrupos de 7 y 6 paneles conectados en serie cada uno.
DETERMINACIÓN DE INVERSORES:
Inversor Marca Goodwe 1.5-500 kw Series
SS Series (Single MPPT, Single-Phase)
Modelo GW4000-SS
Potencia Máxima DC (W) 4 600
Voltaje Máximo DC (V) 580
MPPT rango de voltaje (V) 125-550
Voltaje de Arranque (V) 125
Corriente Máxima en DC (A) 220
Potencia Nominal AC(W) 4 000
Potencia Máxima AC(W) 4 200
Corriente Máxima en AC (A) 22
Salida Nominal en AC 50/60Hz;230Vac
Rango de Salida en AC 45-55Hz/55-65Hz; 180-270 Vac
Eficiencia Máxima 98%
Adaptación de Eficiencia con MPPT 99,50%
Dimensiones (wxhxd) mm 390*417*142
Peso (kg 18
93
Con esta conformación y con la facilidad que da el inversor de tener dos pares
de entradas en DC y el rango de voltaje de operación, se conforman las
conexiones correspondientes. Ver diagrama de conexiones en anexo.
Como parámetros importantes del inversor se tiene que la potencia de
entrada tiene un rango de hasta 4 600 watts en DC, o sea, la potencia generada
por el conjunto de paneles solares conectados a este no podría superar dicha
cantidad.
Además, otro dato importante también es el rango de voltaje de operación
en DC que dicho inversor podría recibir de los paneles solares, en este caso
este es de 580 volts. Como se verá más adelante la conformación o topología
del generador fotovoltaico, se diseñó de tal forma que el voltaje de entrada está
en el rango medio aceptable.
También se tiene que el voltaje de arranque es de 125 voltios. Esto quiere
decir que si el conjunto de paneles solares conectados al inversor no llega a
generar en DC el voltaje mínimo de arranque, este no se activará y por lo tanto
no inyectará a la red. Esto se da normalmente cuando las condiciones de
radiación son severas, entiéndase como los amaneceres o atardeceres, o
también los días muy nublados o de abundante lluvia. Las sombras
accidentales podrían también sacar de servicio al inversor.
Hay un dato importante de diseño, que también define el criterio a seguir
para seleccionar la cantidad final de paneles solares a instalar y es la eficiencia
del inversor, para este tipo de inversor esta es de 97,80 %. Parámetro que se
aplicará en el punto siguiente.
94
Con los paneles solares e inversores seleccionados se tiene la siguiente
topología o distribución del generador solar en el área dispuesta.
Tabla XVIII. Topología o conformación generador fotovoltaico
Fuente: elaboración propia.
Se determina utilizar 117 paneles y 9 inversores utilizando los criterios
siguientes:
Un solo inversor del modelo seleccionado no puede operar con 13
paneles solares, debido a que supera el voltaje máximo DC que es de
580 volts. Por ello se conforman en conectar 7 paneles (312,2 volts DC)
y 6 paneles (267,6 volts DC) a un mismo inversor, ya que este tiene la
ventaja de que internamente hace la conexión en paralelo de cada
subgrupo no afectando el parámetro de entrada al inversor.
Total Paneles
Filas en serie de 6 paneles 9 54
Filas en serie de 7 paneles 9 63
Voltaje CC total por filas 7 paneles 267,6 117
Voltaje CC total por filas 8 paneles 312,2
Grupos de 2x13 paneles (incluyendo 1x13) 5
Páneles estimados de diseño 117
Potencia total por fila (w) de 7 paneles 1,8
Potencia total por fila (w) de 8 paneles 2,1
Potencia total a manejar c/invensor 3,9
Potencia total x invensor x día (wh/día) 19,5
Potencia total x invensor x mes (wh/mes) 585
Potencia total sistema kwh/mes 5 265
Potencia total sistema kwh/día 175,5
TOPOLOGÍA
95
Se tiene que por cálculos de carga real, carga a generar por día y
potencia de generación de cada panel (300 W) un total de 113,8 o 114
paneles solares. Esta cantidad nos da una topología no conveniente, ya
que se pretende tener una reparto equitativo de generación-conversión,
si además se aplica que la eficiencia del inversor es del 97,8 %, esto da
un margen para ajustar la cantidad final de paneles solares.
o 114 paneles x 3 % (ajuste por eficiencia de inversor) = 3,42
paneles de más,
o Lo aproximamos a 3, siendo en total 117 paneles solares,
quedando las cadenas seriales exactamente iguales, el voltaje de
salida en los inversores será el mismo y no se tendrán problemas
a la hora de hacer la interconexión por diferencias de potencia
inyectado a la red.
Figura 26. Topología esquemática
Fuente: elaboración propia, con programa Adobe Illustrator.
ENERGUATE
TOPOLOGÍA ESQUEMÁTICA
Ta
ble
ro
o C
aja
de
C
on
ex
ion
es
Ta
ble
ro
PR
INC
IPA
LC
UN
OR
OC
Supresor AC
96
3.5.5. Sistema de cableado, conexiones y ductería
La selección e instalación apropiadas de los conductores en un sistema
eléctrico evitan riesgos de cortocircuito y fallas a tierra; con ello se reduce la
probabilidad de formación de arcos eléctricos y en consecuencia de incendios.
Los métodos de cableado y la selección apropiada de los conductores son
importantes para la seguridad de una instalación FV, la durabilidad y la facilidad
del mantenimiento.
3.5.5.1. Cableado de corriente continua (CC)
Los cables de la parte de continua, serán cables diseñados para
condiciones severas y de larga duración (superiores a 25 años), adecuados
para equipos de aislamiento clase II, resistentes a temperaturas extremas (entre
-40 °C y +90 °C) como a la intemperie y diseñados para una temperatura
máxima en el conductor de 120 °C. Serán de alta seguridad (AS), es decir, no
propagadores de llama, ni fuego y de baja emisión de humos y gases
corrosivos.
Los conductores serán de cobre y tendrán la sección adecuada para evitar
caídas de tensión y calentamientos elevados. Concretamente, para cualquier
condición de trabajo, los conductores deberán tener la sección suficiente para
que la caída de tensión sea inferior del 1,5 % en toda la parte de corriente
continua de la instalación.
La tensión asignada de los cables serán 1,8 kV D.C. (conductor -
conductor, sin puesta a tierra, circuito sin carga).
97
Los cables a emplear serán del fabricante General Cable o similar, en
concreto los denominados comercialmente como Exzhellent Solar. Así, los tipos
empleados serán:
Conexionado entre los módulos fotovoltaicos y estos con las cajas de
conexiones de CC: se empleará el cable designado ZZ-F (AS) 1,8 kV
DC. Dichos conductores se componen de:
Conductor de cobre estañado clase 5 para servicio móvil (-F)
Aislamiento de elastómero termoestable libre de halógenos (Z)
Cubierta de elastómero termoestable libre de halógenos (Z)
Norma: AENOR EA 0038 ; TÜV 2 Pfg 1169/08.2007
Sección nominal empleada: 4 mm²
Tipo Montaje: superficial sobre estructura solar y en bandeja tipo rejilla
Estos cables vienen incorporados en cada uno de los paneles, como se
muestra a continuación:
98
Figura 27. Parte posterior panel solar 300 w mostrando caja de
conexiones y cables de corriente continua
Fuente: Bodegas Sistemas Solares S. A.
Conexionado entre cajas de conexiones (corriente continua) e inversor:
se empleará el cable designado XZ1FA3Z-K (AS) 1,8 kV DC. Dichos
conductores se componen de:
Conductor de cobre clase 5 para servicio fijo (-K)
Aislamiento de polietileno reticulado XLPE (X)
Asiento de armadura de poliolefina libre de halógenos (Z1)
Armadura de fleje corrugado de AL (FA3).
Cubierta de elastómero termoestable libre de halógenos (Z)
Norma: AENOR EA 0038
Sección nominal empleada: 50 mm²
En la parte de continua se utilizará el siguiente código de colores:
99
o Polo positivo: de color rojo
o Polo negativo: de color negro
o Protección: amarillo-verde
3.5.5.2. Cableado corriente alterna (CA)
Para la elección del cableado de la parte de corriente alterna (CA) se
tomará en cuenta la distancia, corriente y voltaje que tendrá en la salida del
tablero o caja de conexiones.
Distancia de tablero de conexiones a tablero principal: 123 metros
Voltaje trifásico: 120/208v
Corriente máxima : 100 amp
El cableado por las características encontradas, se diseñó que fuera de
forma subterránea, por lo que según la (National Electrical Code) (NEC)
(Código Eléctrico Nacional, por sus siglas en inglés) determina que debe usarse
para sistemas subterráneos cable THHN, RHH <NEC [690-31, Capítulo 3>,
según el diseño, se ha seleccionado el conductor THHN No. 6 para cada fase y
cable THHN núm. 4 para neutro. Este conductor tiene una ampacidad de 75
amperios a una temperatura de 90 °C. Este se dispondrá en forma subterránea
en la canalización respectiva.
3.5.5.3. Conexiones
Para interconectar los paneles con la topología propuesta, se diseña el
uso de conectores tipo Cable Coupler CB40-C**M, de la marca Slocable,
referencia de catálogo; http://www.slo-cable.com, ver ficha en anexo. Estos
conectores son del tipo hembra-macho que facilitan la interconexión en serie de
100
paneles solares, según lo dispuesto en el diseño y mostrado en el diagrama
Conexiones Paneles/Inversores. Además, se acoplan perfectamente a las
entradas CC de cada uno de los inversores.
Las conexiones del generador solar están de tal manera acondicionadas,
que no se tiene longitudes más allá que el cable que dispone cada una de los
paneles solares, 0,90 metros, además cada inversor se ubica en la parte inferior
de la estructura de soporte principal, montado convenientemente de tal manera
que también no se necesita cable o conexiones adicionales. Ver detalle en
plano Ubicación Paneles Solares e Inversores en anexo.
3.5.5.4. Ductería
Se diseñó para conducir los cables de corriente alterna desde el tablero de
conexiones hacia el tablero principal de un sistema de tubería PVC 125 psi, 2
pulgadas de diámetro, que albergará 4 conductores. Además, por la longitud
considerable existente (123 metros) se contempló hacer cajas de registro de
concreto tipo CIFA, de 0,60x0,60x0,60 metros. 6 unidades. Ver detalle de
distribución en plano Diagrama Ubicación Planta y Canalización en anexo.
3.6. Protecciones y tierras físicas
Se deben conectar a tierra todas las partes metálicas que no están
designadas para conducir corriente eléctrica; como son marcos de módulos,
gabinetes metálicos y estructuras metálicas en general. La puesta a tierra de los
equipos es una medida de protección a las personas; mantiene todas las partes
metálicas que normalmente no están energizadas al potencial de tierra; aún en
caso de que entren accidentalmente en contacto con algún circuito vivo. Con
101
ello se evitan descargas eléctricas a las personas que puedan tener contacto
con dichas partes.
3.6.1. Protecciones CA y CD
Para proporcionar seguridad tanto a los equipos que forman la instalación
solar fotovoltaica como al personal encargado de su mantenimiento y correcta
operación, es necesario instalar una serie de elementos de protección que
aseguren una explotación correcta de la instalación.
Al igual que para el cálculo del cableado de la instalación, el cálculo de
las protecciones se realizará independientemente para cada uno de los
circuitos que forman la instalación, diferenciando entre tramos de corriente
continua y de corriente alterna, ya que las protecciones deberán ser distintas
para cada tramo dependiendo la naturaleza de corriente continua o alterna del
tramo y al valor de corriente admisible de los conductores.
Aunque los fusibles e interruptores para corriente continua son diferentes
a los de corriente alterna, su cálculo es similar; según la Norma ITC-BT-22 del
Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión.
Un dispositivo protege contra sobrecargas a un conductor si se verifican
las siguientes condiciones:
IB ≤ IN ≤ IZ
IC ≤ 1,45 * IZ
Donde:
IB es la corriente de empleo o de utilización.
IN es la corriente nominal del dispositivo de protección.
102
IZ es la corriente máxima admisible por el elemento a proteger.
IC es la corriente convencional de funcionamiento del dispositivo de
protección (fusión de los fusibles y disparo de los interruptores
automáticos).
En la protección por magnetotérmico normalizado se cumple siempre la
segunda condición porque IC = 1,45*IN, por lo que solo se debe verificar la
primera condición.
En la protección por fusible tipo gG (es un fusible limitador de la corriente,
se usan en la protección de circuitos sin picos de corriente importantes. Por
ejemplo: circuitos de alumbrado, calefacción, entre otros) Se cumple que IC =
1,6 * IN por lo que deben verificarse las dos condiciones de la norma.
El cálculo de protecciones se realizará dividiendo la instalación en dos
grupos, uno de corriente continua y otro de corriente alterna, cada grupo será
a su vez dividido en los diferentes tramos de cableado que forma la instalación
solar fotovoltaica:
3.6.1.1. Protecciones de corriente continua (CC o
CD)
La interrupción de corrientes presenta mayores problemas con redes en
corriente continua que en corriente alterna. En la corriente alterna existe un
paso natural de la corriente por el cero en cada semiperíodo, al cual
corresponde un apagado espontáneo del arco que se forma cuando se abre el
circuito. En la corriente continua esto no sucede y para extinguir el arco, es
preciso que la corriente disminuya hasta anularse. Es necesario que la
interrupción se realice gradualmente, sin bruscas anulaciones de la corriente
que darían lugar a elevadas sobretensiones.
103
Módulos solares → Caja de conexión de grupo
Este tramo estará protegido por los siguientes elementos:
Fusibles:
Protegerán contra las sobre intensidades a cada uno de los ramales del
generador fotovoltaico, provocando la apertura del circuito en caso de
producirse una corriente superior a la admisible por los equipos o conductores
de la instalación. Cada ramal poseerá dos fusibles (figura 28) de idénticas
características eléctricas, uno para el conductor de polaridad positiva y otro
para el de polaridad negativa.
Figura 28. Fusible de corriente continua y símbolo normalizado
Fuente: Fusibles DF ELECTRIC para aplicaciones fotovoltaicas.
La sección del conductor en este tramo de la instalación es de 1,5 mm²,
por lo que los parámetros a utilizar para el dimensionado de los fusibles serán:
IB = Impp_módulo = 8,22 A
IZ = IMAX-admisible = 15 A
104
En la actualidad todos los paneles solares de alta calidad traen los fusibles
de protección incluidos en la caja de conexiones individual.
Por tanto, para que se cumpla la condición, como mínimo la corriente
nominal del fusible será:
IB ≤ IN ≤ IZ
8,22 A ≤ IN ≤ 15 A IN = 10 A
A continuación se calculará la corriente convencional de fusión de este
fusible comprobándose si la dimensión de los fusibles es la correcta o por el
contrario debe buscarse un valor mayor que cumpla IC ≤ 1,45 * IZ :
IC = 1,6 * IN = 1,6 * 10 = 16 A
IC ≤ 1,45 * IZ → 16 A ≤ 1,45 * 15 A → 16 A ≤ 21,75 A
Por consiguiente, se utilizarán fusibles de 10A en cada ramal de paneles
conectados en serie del generador solar fotovoltaico.
3.6.1.2. Protecciones de corriente alterna
Las protecciones de corriente alterna estarán ubicadas aguas abajo del
inversor, para la protección de los circuitos y de la conexión a red de la
instalación, una vez sea convertida la corriente continua proveniente de los
módulos solares a corriente alterna para la inyección a la red.
Las protecciones de corriente alterna se diseñarán para la protección del
último tramo del circuito:
105
Para el presente caso se ha dispuesto la topología para tener una circuito
trifásico, conectando entre si tres grupos de inversores para conformar en delta
el voltaje de red (se hace la obervación que la salida en corriente alterna de los
inversores se adecua o ajusta al voltaje de la red externa), de tal manera que la
configuración no entre en conflicto.
Inversor → Red de baja tensión
El sistema de protecciones de este último tramo deberá acogerse a la
normativa sobre la conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja
tensión del artículo 11 del R.D.1663/2000
(https://www.boe.es/boe/dias/2000/09/30/pdfs/A33511-33515.pdf) y además,
tener en cuenta los requisitos de conexión de la empresa propietaria de la
distribución de energía eléctrica en el punto de conexión a red de la instalación
fotovoltaica, en este caso Energuate.
El voltaje en baja tensión suministrado es de 120/208 V.
Interruptor vigilante de tensión y frecuencia
Protección para la interconexión de máxima y mínima frecuencia (61Hz y
59Hz respectivamente) y de máxima y mínima tensión (1,1 y 0,85 Um,
respectivamente). Este interruptor viene incorporado en elinversor
propuesto.
Interruptor magnetotérmico
Será el interruptor general manual, con intensidad de cortocircuito
superior a la indicada por la empresa distribuidora en el punto de
conexión. Este interruptor será accesible a la empresa distribuidora en
106
todo momento, con el objetivo de poder realizar la desconexión manual.
Este estará ubicado en el tablero principal de protección principal y será
de 3x100 amp.
Interruptor de la interconexión
Es el Interruptor Frontera, y su función será la desconexión – conexión
de la instalación fotovoltaica en caso de pérdida de tensión o frecuencia
de la red, junto a un relé de enclavamiento. Este interrumptor es parte
de la configuración del inversor.
Puesta a tierra:
La puesta a tierra de las instalaciones fotovoltaicas interconectadas, se
hará siempre de forma que no se alteren las condiciones de puesta a
tierra de la red de la empresa distribuidora, asegurando que no se
produzcan transferencias de defectos a la red de distribución.
La instalación deberá disponer de una separación galvánica entre la red
de distribución de baja tensión y las instalaciones fotovoltaicas, bien sea
por medio de un transformador de aislamiento o cualquier otro medio
que cumpla las mismas funciones.
Ahora bien, según la normativa, el equipo inversor utilizado en la
instalación puede incorporar alguna de estas protecciones, si es así,
según el R.D.1663/2000, solo se precisará disponer adicionalmente de
las protecciones general manual e interruptor automático diferencial. El
inversor seleccionado para esta instalación, incorpora las funciones de
protección de máxima y mínima tensión y de máxima y mínima
frecuencia. Además, este inversor posee separación galvánica entre la
107
red de distribución de baja tensión y las instalaciones fotovoltaicas
exigida por la normativa.
Por consiguiente, las protecciones que se instalarán en este tramo son:
un interruptor magnetotérmico (interruptor general manual) y un
interruptor automático diferencial, además de la condición de Energuate
de incorporar un fusible en la interconexión ya que su actuación es más
rápida que la de los magnetotérmicos.
Además de las condiciones estándar que deben cumplir todos los
interruptores de este tipo, el magnetotérmico utilizado en este último
tramo debe tener una capacidad de corte igual o superior a la
intensidad de cortocircuito, que como norma la define la empresa
distribuidora, para este caso, los requisitos de conexión de Energuate
señalan que la intensidad de cortocircuito que puede producirse en un
punto de conexión a su red es de 6kA, por tanto este interruptor
magnetotérmico deberá tener una capacidad de corte de al menos este
valor.
3.6.2. Sistema de tierra física
El concepto tierra física, se aplica directamente a un tercer cable,
alambre, conductor, y va conectado a la tierra propiamente dicha, o sea al
suelo, este se conecta en el tercer conector en los tomacorrientes, a estos
tomacorrientes se les llama polarizados.
108
3.6.2.1. Puesta a tierra de la instalación fotovoltaica
conectada a red
Para la protección de la propia instalación y de los posibles operarios
encargados del mantenimiento de la misma, el Reglamento Electrotécnico de
Baja Tensión establece que deben conectarse correctamente todas las masas
metálicas de una instalación con tierra, con el objetivo de conseguir que el
conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima al terreno no aparezcan
diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a
tierra de la corriente de defecto o las descargas de origen atmosférico. Según la
Norma ITC-BT-18 “Instalaciones de puesta a tierra”, del Reglamento
Electrotécnico de baja tensión, la puesta a tierra de una instalación está
compuesta por (ver figura 29).
Tomas a tierra: son electrodos formados por barras, tubos pletinas o
mallas que están en contacto directo con el terreno donde se drenará la
corriente de fuga que se pueda producir en algún momento, estas tomas a tierra
deberán ser de materiales específicos y estarán enterrados a una profundidad
adecuada para las características de la instalación a proteger.
Conductores de tierra: son los conductores que unen el electrodo de la
puesta a tierra de la instalación con el borne principal de la puesta a
tierra.
Bornes de puesta a tierra: son la unión de todos los conductores de
protección de la instalación que provienen de los diferentes elementos o
masas a proteger.
109
Conductores de protección: sirven para unir eléctricamente las masas de
una instalación a ciertos elementos, con el fin de asegurar la protección
contra contactos indirectos. Unirán las masas al borne de puesta a tierra
y con ello al conductor de tierra.
Figura 29. Esquema instalación puesta a tierra
*Partes típicas de una instalación de puesta a tierra.
Fuente: Reglamento electrotécnico de baja tensión ITC BT – 18. Instalaciones de puesta a
tierra. p. 88.
Según la Norma ITC–BT–18 del REBT (Reglamento Eléctrico de Baja
Tensión), los conductores de protección deberán ser del mismo material que los
conductores activos utilizados en la instalación, en este caso serán de cobre e
irán alojados en la canalización utilizada para los conductores activos de la
110
instalación. La sección de los conductores de protección viene dada por la tabla
XIX.
Tabla XIX. Relación entre las secciones de los conductores de
protección y los de fase
Fuente: Reglamento electrotécnico de baja tensión ITC BT – 18. Instalaciones de
puesta a tierra. p. 88.
Por tanto, los conductores de protección tendrán diferente sección
dependiendo del tramo de cableado donde se encuentren:
Módulos solares → Caja de conexión de grupo
SCONDUCTORES DE FASE = 1,5 mm² → SCONDUCTOR DE PROTECCION = 1,5 mm²
Caja de conexión de grupo → Caja de conexión del generador
fotovoltaico.
SCONDUCTORES DE FASE = 1,5 mm² → SCONDUCTOR DE PROTECCION = 1,5 mm²
Caja de conexión del generador fotovoltaico → Inversor
SCONDUCTORES DE FASE = 6 mm² → SCONDUCTOR DE PROTECCION = 6 mm² Inversor → Red de baja tensión.
SCONDUCTORES DE FASE = 6 mm² → SCONDUCTOR DE PROTECCION = 6 mm²
111
En el anexo se puede ver el detalle del sistema de tierra física del
generador fotovoltaico. Siendo este compuesto de anillos cerrados de
electrodos-cables y estructura metálica.
3.7. Marco legal
Para la interconexión a la red de un generador fotovoltaico se
establecieron normas legales para su operación dentro de las redes de
distribución existentes. Estas están estipuladas en la Ley General de
Electricidad, correspondiendo a la Comisión Nacional de Energía Eléctrica
emitir las normas y velar el libre acceso y uso a las redes de distribución.
3.7.1. Norma técnica de generación distribuida renovable y
usuarios autoproductores con excedentes de energía
(NTGDR)
Según resolución CNEE-227-2014, de fecha 25 de agosto de 2014, la
Comisión Nacional de Energía Eléctrica (CNEE), actualiza la normativa
indicando que el reglamento de la Ley General de Electricidad, en su artículo
16bis, establece que los distribuidores están obligados a permitir la conexión a
sus instalaciones y efectuar las modificaciones o ampliaciones necesarias para
permitir el funcionamiento del Generador Distribuido Renovable y que para el
efecto, la Comisión, emitirá las disposiciones generales y la normativa para
regular las condiciones de conexión, operación, control y comercialización de la
Generación Distribuida Renovable, de conformidad con la Ley General de
Electricidad y su Reglamento.
Que derivado del tiempo transcurrido desde la emisión de la Norma
Técnica para la Conexión, Operación, Control y Comercialización de la
Generación Distribuida Renovable (NTGDR) y usuarios autoproductores con
112
excedentes de energía, es necesario adaptar las disposiciones generales
contenidas en ella a la actualidad, con la finalidad de facilitar el acceso al
Sistema Eléctrico Nacional a través de fuentes energéticas renovables, en
atención a su tamaño, ubicación física, infraestructura eléctrica de las empresas
de distribución, así como por el nivel de tensión al cual sea técnica y
económicamente viable su conexión.
Y según la norma establecida para el efecto se tiene dos definiciones
importantes:
Generación distribuida renovable: es la modalidad de generación de
electricidad, producida por unidades de tecnologías de generación con
recursos renovables, que se conectan a instalaciones de distribución
cuyo aporte de potencia neto es inferior o igual a cinco megavatios (5
MW).
Generador distribuido renovable: es la persona, individual o jurídica,
titular o poseedora de una central de generación de energía eléctrica,
que utiliza recursos energéticos renovables y participa en la actividad de
Generación Distribuida Renovable. Estos serán considerados como
Participantes del Mercado Mayorista.
Para el caso que nos compete, el proyecto denominado: diseño de un
generador fotovoltaico para el Centro Universitario de Noroccidente –
Cunoroc-, Universidad de San Carlos de Guatemala, bajo la normativa de
generación distribuida, es afecto a los beneficios y reglamentos que en
tal norma se establecen.
113
Quedando explícitamente establecido en la norma, las tecnologías con
recursos renovables que entran en el ámbito de su reglamentación, siendo
estas:
Biomasa: energía derivada de cualquier tipo de materia orgánica y
biodegradable, de origen vegetal o animal, que puede usarse
directamente como combustible o ser convertida en otras fuentes
energéticas antes de la combustión, incluye biogás.
Eólica: energía producida por el viento.
Geotérmica: energía producida por medio del calor natural de la tierra,
que puede extraerse del vapor, agua, gases, excluidos los hidrocarburos,
o a través de fluidos inyectados artificialmente para este fin.
Hidráulica: energía producida por el agua.
Solar: energía obtenida de la radiación solar.
Otras: las que determine posteriormente el Ministerio de Energía y Minas.
114
115
4. MEDIDORES O CONTADORES BIDIRECCIONALES,
ANÁLISIS ENERGÉTICO
En las instalaciones fotovoltaicas conectadas a red, es necesario un
contador ‟tipo bidireccional” a la salida/entrada de la acometida eléctrica,
medirá la energía inyectada a la red y marcará la frontera entre el sistema y la
red de distribución, además medirá el consumo. El sistema está diseñado para
inyectar toda la energía producida a la red de distribución de Energuate en baja
tensión. Siempre y cuando la relación consumo – generación sea menor a 1, o
sea cuando se tenga un consumo menor a la generación, esta diferencia será
inyectada a la red.
El contador deberá medir entonces la energía entregada a la red,
producida por la instalación fotovoltaica. Los medidores bidireccionales son
proveídos por la empresa Energuate, especiales para instalaciones
fotovoltaicas. No solo cumple la función de contador de energía, también
cumple la función de dispensador de energía eléctrica para el control de la
demanda, esto permite al usuario la gestión inteligente de la energía disponible
en redes cuya generación es limitada tales como las realizadas sistemas
fotovoltaicos. También incluye un ‟interruptor general” que actúa como control
de máxima potencia y de máxima demanda, además de un interruptor auxiliar
que puede ser utilizado para la conexión o desconexión de consumos no
esenciales.
116
4.1. Análisis energético
De acuerdo a información recabada y al diseño propuesto, se tien una
necesidad promedio de generación a proveer un promedio de 5,122 Kwh por
mes. El equivalente a un 100 % de la energía promedio consumida.
El servicio de comparecer ante Energuate para la gestión por de ‟cambio
de contador” por uno ‟bidireccional” es parte del proyecto. La empresa
Energuate está obligada a hacer el cambio del contador.
Por tendencia el valor de la energía eléctrica ha variado a razón de
duplicarse cada siete años en promedio Si el precio de energía eléctrica no
varía de ahora en adelante, el retorno de inversión es de 81 meses. Al
considerar la tendencia de incremento de valor por kilowatt/hora, el retorno de
inversión es de 60 meses. De darse el caso que la energía eléctrica no modifica
su valor de ahora en adelante, la inversión inicial se transforma en 25 años en
un aproximado de Q 2 812 416,00. Básicamente una rentabilidad del 500 % en
25 años Pero considerando el incremento histórico y probable, la inversión
inicial se transformaría en Q 8 437 248,00, un incremento de alrededor del
1500% en 25 años. Los datos referenciales son sacados de la información
histórica que proporciona la Comisión Nacional de Energía Eléctrica (CNEE).
En los diagramas mostrados a continuación se puede tener una idea de
tiempo de recuperación de inversión aproximado en 60 meses como el más
cercano, tomando en cuenta un comportamiento del mercado eléctrico estable.
Además, la productividad que se obtendría tomando en cuenta la calidad y
tiempo de vida del equipo propuesto.
117
Figura 30. Análisis energético
Fuente: elaboración propia.
118
4.1.1. Presupuesto desglosado del diseño establecido
A continuación en la tabla XX, se describe el presupuesto para un diseño
establecido.
Tabla XX. Listado de materiales y costo generador fv, Cunoroc
Fuente: elaboración propia.
RENGLÓN DE TRABAJO/MATERIALES UM CANTIDAD COSTO
MATERIALES
TOTAL
MATERIALES
UNITARIO
MANO DE
OBRA
TOTAL
MANO DE
OBRA
TOTAL RENGLON OBSERVACIONES/REFERENCIAS
PANELES SOLARES Y ESTRUCTURA
PANEL SOLAR 300W U 117 2 100,00Q 245 700,00Q 75,00Q 8 775,00Q 254 475,00Q MAX POWER CS6X-300 (CANADIAN
SOLAR)
Rieles de 4.20 mts longitud, aluminio
anonizado mt 250 72,00Q 18 000,00Q 15,00Q 3 750,00Q 21 750,00Q
Catálogo NSP-R-4200, NSP Rail with
a standard length of 4200mm
Designed to mount 3
modules(width 990-996mm.
< www.newsunpower.com>
Sujetadores finales, 50mm aluminio
anonizado c/tornillou 32 16,00Q 512,00Q 2,50Q 80,00Q 592,00Q
catálogo NSP-EC-F50
Newsunpower End Clamp Kit
50mm <
www.newsunpower.com>
Sujetadores medios, 50mm aluminio
anonizado, c/tornillou 224 16,00Q 3 584,00Q 2,50Q 560,00Q 4 144,00Q
catálogo NSP-IC-F50
Newsunpower Inter Clamp Kit
50mm <
www.newsunpower.com>
tornillo busca rosca galvanizados 1
1/2" u 112 2,00Q 224,00Q 1,50Q 168,00Q 392,00Q
mercado local
bridas o cinchos plásticos 15" u 300 1,50Q 450,00Q 1,00Q 300,00Q 750,00Q mercado local
estructura metálica y bases concreto U 27 1 200,00Q 32 400,00Q 500,00Q 13 500,00Q 45 900,00Q Proveedor o frabricante TEMI
(estructuras metálicas)
INVERSORES Y TABLERO DE
CONEXIONES
Inversor, marca Goodwe Modelo
GW4200-SSu 9 18 000,00Q 162 000,00Q 800,00Q 7 200,00Q 169 200,00Q
Catálogo series 1.5-500kW,
<www.goodwe.com.cn>
Cable tsj No. 3x10 awg m 70 8,00Q 560,00Q 10,00Q 700,00Q 1 260,00Q mercado local
tablero centro de carga, barras 150
amp, trifásico 120/208V, neutro solido
y neutro aislado. u
1 1 200,00Q 1 200,00Q
500,00Q
500,00Q 1 700,00Q mercado local
flipones 3x20amp u 4 60,00Q 240,00Q 50,00Q 200,00Q 440,00Q mercado local
cable thhn No. 2 fase m 390 32,50Q 12 675,00Q 10,00Q 3 900,00Q 16 575,00Q mercado local
cable thhn No. 4 neutro m 130 18,50Q 2 405,00Q 10,00Q 1 300,00Q 3 705,00Q mercado local
canalización y cajas de registro glo 1 4 500,00Q 4 500,00Q 1 500,00Q 1 500,00Q 6 000,00Q mercado local
flipon 3x100 amp (en tablero
principal) u 1 250,00Q 250,00Q 150,00Q 150,00Q 400,00Q
mercado local
sistema tierra fisica estructura
paneles glo 1 4 500,00Q 4 500,00Q 1 500,00Q 1 500,00Q 6 000,00Q
mercado local
supresor de transcietes 50kA trifásicos u 1 8 500,00Q 8 500,00Q 500,00Q 500,00Q 9 000,00Q Mod WYE, 120/208V, marca APT,
filial Guatemala
542 283,00Q TOTAL PROYECTO FV
119
El costo del generador solar asciende a quinientos cuarenta y dos mil
doscientos ochenta y tres quetzales exactos (Q 542 283,00), incluye iva.
4.2. Observaciones adicionales
El costo de los paneles solares y los inversores fueron calculados a una
tasa de cambio de $1,00 x Q7,69, ya que estos deben ser importados. Si se
tiene un pago promedio mensual de energía eléctrica a Energuate según la
tabla de consumo real de Q 11 718,40 y el diseño se hace para cubrir el 100 %
de la demanda, idealmente se obtendría un tiempo de recuperación de la
inversión de 48 meses.
Pero como se indicó en el análisis energético existen variables en el
tiempo que no son predecibles al 100 %, ejemplo, aumento en el precio del
kilovatio hora, incremento de consumo eléctrico, fallas en el sistema y
rendimiento del generador solar se reduce en un 20 % a los 10 años de su
puesta en marcha. Además, se le deben dar expectativas reales al cliente de tal
manera que a criterio propio le incrementamos un 25 % al tiempo máximo de
recuperación, quedando este en 60 meses o 5 años. El sistema tiene una vida
útil de 25 años en el peor de los casos. (300 meses de garantía y 240 meses de
rentabilidad), se hace notar que este sería el mejor de los escenarios, por ello
se hace un cálculo más realista en nuestro capítulo de análisis energético.
120
121
CONCLUSIONES
1. Es evidente la contribución de la generación proveniente de energías
renovables, especialmente en este caso la energía solar. Además, como
Guatemala cuenta con un potencial para la explotación de este tipo de
energías. La reducción en la emisión de dióxido de carbono es en parte
uno de los objetivos principales que se logra determinar, ya que la
energía generada anual sería de 63,180 kwh, (producto de multiplicar la
energía mensual a generar, 5,265 kWh/mes por 12) dejando de emitir un
total de 24,324 kg de dióxido de carbono al año. Este dato se determina
tomando en cuenta el Factor de Emisión de Consumo Eléctrico, que para
este caso es F=0,385 kg de dióxido de carbono equivalente por kilovatio
hora.
2. El Sol es una fuente ilimitada de energía, la cual se puede aprovechar
todo el año. La tecnología solar fotovoltaica consiste en la transformación
de la radiación solar en electricidad mediante las denominadas células
fotovoltaicas. Utilizando el denominado efecto fotoeléctrico y
aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores, estas
células generan corriente continua al incidir en ellas la luz, corriente que
es posteriormente transformada en alterna para su utilización. Las
células fotovoltaicas empleadas comúnmente son de silicio cristalino,
aunque ya se está investigando el uso de nuevos materiales.
3. El capítulo 3 del trabajo de graduación muestra paso a paso el
procedimiento de diseño utilizado para el generador fotovoltaico. Se
determinó que junto con los datos de facturación o consumo, el área
122
disponible es indispensable definirla al inicio del diseño, ya que es un
parámetro restrictivo si no se cumplen con las dimensiones mínimas
necesarias. Con el área definida, se dispuso a realizar las medidas y
determinar los parámetros que serviría para conformar el diseño.
Siguiendo el orden siguiente:
Determinación de ubicación y localización del Cunoroc, utilizando
coordenadas georeferenciadas.
Estimación de los parámetros de radiación e irradiancia en el punto de
estudio.
En función a la información real de facturación por consumo de energía
eléctrica se elabora una tabla para determinar la potencia activa
promedio mensual.
Investigación de equipo fotovoltaico disponible en el mercado.
Dimensionado de cada componente del generador fotovoltaico en
función al equipo seleccionado y las necesidades de carga eléctrica a
cubrir.
Estructura de soporte necesario y ubicación en el área dispuesta.
Sistema de Cableado en CC y AC, conexiones, ductería, protección,
medición.
El diseño llevó a la implementación de un total de 117 paneles solares
de una capacidad o potencia nominal de 300 watts, organizados de tal
manera que pudiesen cumplir con la demanda calculada real de 171
kwh/día.
Es importante hacer notar que en la actualidad existe el incentivo para la
construcción de este tipo de proyectos, los cuales han ido ganando
terreno. Para ello La Comisión Nacional de Energía Eléctrica
123
(CNEE) monitorea y da seguimiento a este tipo proyectos, de tal manera
que su inyección a red sea aceptada por las distribuidoras de energía
eléctrica actuales (Energuate y Eegsa). Teniendo la norma técnica para
la conexión, operación, control y comercialización de la generación
distribuida renovable (NTGDR) y usuarios autoproductores con
excedentes de energía. ntgdr.
4. Con la información de facturación mensual proporcionada emitida por
Energuate, se determinó que en promedio el Cunoroc tiene un consumo
promedio mensual de 5 122 kWh/mes (171 kWh/día), traduciéndose esto
en un pago también promedio mensual de Q 11 700,00. Con esta
información inicial se determinan las condiciones de diseño, el área
necesaria y las características eléctricas.
El costo del proyecto asciende a: Q 542 283,00. Dicho costo se calculó
en función a los precios de mercado de cada uno de sus componentes,
tanto materiales como mano de obra calificada. La tabla XIX muestra a
detalle los costos parciales y totales del generador fotovoltaico
propuesto.
En el costo de los paneles solares y los inversores fueron calculados a
una tasa de cambio de $ 1,00 x Q 7,69, ya que estos deben ser
importados. Si se tiene un pago promedio mensual de energía eléctrica a
Energuate según nuestra tabla de consumo real de Q 11 718,40 y el
diseño se hace para cubrir el 100 % de la demanda, idealmente se
obtendría un tiempo de recuperación de inversión de 48 meses. Pero
como se indicó en el análisis energético existen variables en el tiempo
que no son predecibles al 100 %, ejemplo, aumento en el precio del
kilovatio hora, incremento de consumo eléctrico, fallas en el sistema y
124
rendimiento del generador solar se reduce en un 20 % a los 10 años de
su puesta en marcha. Además, se le deben dar expectativas reales de
tal manera que a criterio propio se le incrementa un 25 % al tiempo
máximo de recuperación, quedando este en 60 meses o 5 años. El
sistema tiene una vida útil de 25 años en el peor de los casos. (300
meses de garantía y 240 meses de rentabilidad), se hace notar que este
sería el mejor de los escenarios.
125
RECOMENDACIONES
1. Es muy importante realizar un estudio de eficiencia energética en el
Centro Universitario de Noroccidente (Cunoroc), debido a que las
instalaciones eléctricas son viejas y es necesario realizar mantenimiento
correctivo, además o quizás lo más importante antes de instalar un
generador fotovoltaico con inyección a red, sería proponer un cambio en
el sistema de iluminación a tipo led, ya que esto contribuiría a reducir el
costo del diseño propuesto. Hoy en día este es uno de los factores que
más inciden en el consumo eléctrico en establecimientos educativos.
2. Considerar que el diseño propuesto consta de una estructura de soporte
del sistema de paneles solares, y por sus características de altura, se
adecua para que el área debajo de estos pueda ser aprovechado para
invernaderos, áreas de pruebas de algunos follajes, entre otros.
3. Tomar en cuenta la posibilidad de adicionar un sistema de captación y
conducción de agua de lluvia y adicionar un sistema de bombeo por
medio de energía solar, para elevar el agua a un tanque elevado.
4. Hacer conciencia en las autoridades de la Usac para que tomen en
cuenta y analicen este tipo de proyectos, ya que a futuro pondrán a la
universidad en un nivel de instituciones educativas de alto nivel
comprometidas con el medio ambiente, además, de ahorrar recursos
económicos importantes que podrían ser utilizados para otras áreas de
interés académico.
126
127
BIBLIOGRAFÍA
1. Agencia Guatemalteca de Noticias, AGN. Guatemala con potencial para
generar electricidad limpia. [en línea]
<http://www.agn.com.gt/index.php/reportajes-especiale/item/4180-
guatemala -con- potencial- para- generar- electricidad-limpia>.
[Consulta: 5 de febrero de 2015].
2. BAETHGE, Erick; BERZOY, Alberto, GUZMÁN, Víctor; GIMÉNEZ, María
Isabel. Nuevo sistema de control para el seguimiento del punto de
máxima potencia en paneles solares basado en el control
predictivo de corriente de convertidores cc-cc. [en línea].
<http://www.scielo.org.ve /scielo. php?pid= S1316-
48212011000300005&script=sci_arttext>. [Consulta: 4 de febrero
de 2015].
3. Direct Industry. El salón online de la industria. [en línea]. < http://www.
directindustry.es /fabricante- industrial /panel-solar-fotovoltaico-
80158.html>. [Consulta: 13 de febrero de 2015].
4. DOMÍNGUEZ GONZÁLEZ, Héctor. Diseño de un sistema fotovoltaico
para la generación de energía eléctrica en el cobaev 35 Xalapa.
Tesis Maestría en Ingeniería Energética. Universidad
Veracruzana, México: Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica,
2012. 172 p.
128
5. Deguate. Sistema de energía en Guatemala. [en línea]
<http://www.deguate.com/artman/publish/ecofin_articulos/Sistema-
de-energia-electrica-en-Guatemala.shtml#.VNOGjP6G_64>.
[Consulta: 2 de febrero de 2015].
6. GÁLVEZ, Juventino; TUY, Héctor. Perfil ambiental de Guatemala 2010-
2012. Vulnerabilidad local y creciente construcción de riesgo. [en
línea]. <http://www.url.edu.gt/iarna - http://www.infoiarna.org.gt>.>
[Consulta: 20 de mayo de 2014].
7. NASA. Surface meteorology and solar energy. [en línea].
<https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/gridcgi?email=skip@l
arc.nasa.gov>. [Consulta: 12 de febrero de 2015].
8. SÁNCHEZ, Miguel Angel. Energía solar fotovoltaica. México DF: Limusa,
2010. 316 p. ISBN: 978-968-18-7198-7.
9. VENTURA, Víctor Hugo. Seminario “Suministro de energía
descentralizado, energía solar y fotovoltaica, eólica y bioenergía”.
Cámara de Comercio Guatemalteco-Alemana. 2014.
129
APÉNDICES
130
Continuación del apéndice.
131
Continuación del apéndice.
132
Continuación del apéndice.
133
Continuación del apéndice.
134
Continuación del apéndice.
135
Continuación del apéndice.
136
Continuación del apéndice.
137
Continuación del apéndice.
Fuente: elaboración propia.
NO
MB
RE
DE
PR
OYE
CTO
:
Max
Abr
ilM
in N
ov
Lati
tud
5,37
6,33
4,72
Long
itud
20,8
a.s.
n.m
.22
Dir
ecci
ón:
3
Cont
acto
:74
,3
ENER
O 2
013.
FEBR
ERO
2013
.M
ARZ
O 2
013.
MA
YO 2
013.
JUN
IO 2
013.
JULI
O 2
013.
AG
OST
O 2
013.
SEPT
IEM
PRE
2013
.
OCT
UBR
E
2013
.
DIC
IEM
BRE
2013
.JU
LIO
201
4.PR
OM
EDIO
KWh/
MES
PRO
MED
IO
KWh/
día
Act
iva
kWh
4320
5280
5040
6240
3540
4200
6120
5880
6900
4260
4560
5634
051
2217
1D
eman
da k
W39
,660
45,0
0043
,500
43,8
0033
,720
26,8
8041
,120
38,6
4042
,360
28,7
4033
,840
417,
260
Reac
tiva
kV
ARh
1,86
01,
500
1,56
01,
800
1,14
01,
320
1,38
01,
560
1,92
02,
220
1,38
017
,640
TOTA
L FA
CTU
RA
Q11
130
,00
Q12
384
,00
Q12
009
,00
Q13
140
,00
Q9
806,
26Q
10 1
65,0
0Q
13 3
56,0
0Q
12 4
13,0
0Q
13 6
87,0
0Q
10 5
12,0
0Q
10 3
00,1
2Q
128
902,
38
PAN
EL S
ELEC
CIO
NA
DO
: MA
X PO
WER
CS6
X-30
0 (C
AN
AD
IAN
SO
LAR
)To
tal P
anel
es
Pote
ncia
Nom
inal
Pm
ax (w
)30
017
0 72
7,27
*19
54
Vol
taje
ópt
imo
de o
pera
ción
Vm
p (v
olts
)36
,130
0,00
*29
63
Corr
ient
e óp
tim
a de
ope
raci
ón Im
p (a
mp)
8,3
5,00
*326
7,6
117
Vol
taje
a c
ircu
ito
abie
rto
Voc
(vol
ts)
44,6
34 1
45,4
5*4
312,
2
Corr
ient
e de
cor
toci
rcui
to Is
c (a
mp)
8,87
113,
82*5
5
Vol
taje
máx
imo
del s
item
a (v
olts
)10
0021
8,40
*611
7
Efic
ienc
ia d
el m
ódul
o %
15,6
334
9,44
*71
800
Dim
ensi
ones
en
mm
1954
x982
x40
626,
9*8
2 10
0
Áre
a de
pan
el e
n m
21,
923
900
Peso
en
kg (l
bs)
22 (4
8.5)
19 5
00
585
000
DET
ERM
INA
CIÓ
N D
E IN
VER
SOR
ES:
Pote
ncia
tota
l sis
tem
a kw
h/m
es52
65
Pote
ncia
tota
l sis
tem
a kw
h/dí
a17
5,5
Pote
ncia
Máx
ima
DC
(W)
4600
Vol
taje
Máx
imo
DC
(V)
580
MPP
T ra
ngo
de v
olta
je (V
)12
5-55
0
Vol
taje
de
Arr
anqu
e (V
)12
5
Corr
ient
e M
áxim
a en
DC
(A)
20
Pote
ncia
Nom
inal
AC(
W)
4000
Pote
ncia
Máx
ima
AC(
W)
4200
Corr
ient
e M
áxim
a en
AC
(A)
22
Salid
a N
omin
al e
n A
C50
/60H
z;23
0Vac
Rang
o de
Sal
ida
en A
C45
-55H
z/55
-65H
z;
180-
270V
acEN
ERG
UA
TE
Efic
ienc
ia M
áxim
a97
,80%
Ada
ptac
ión
de E
fici
enci
a co
n M
PPT
99,5
0%
Dim
ensi
ones
(wxh
xd)m
m39
0*41
7*14
2
Peso
(kg)
18
Inve
rsor
Mar
ca G
oodw
e 1.
5-50
0kw
Ser
ies
SS S
erie
s (S
ingl
e M
PPT,
Sin
gle-
Phas
e)
Mod
elo
GW
4000
-SS
Fila
s en
ser
ie d
e 7
pane
les
Vol
taje
CC
tota
l por
fila
7 p
anel
es
Vol
taje
CC
tota
l por
fila
8 p
anel
es
Pote
ncia
tota
l por
fila
(w) d
e 8
pane
les
Pote
ncia
tota
l a m
anej
ar c
/inv
erso
r
Pote
ncia
Nom
inal
Pan
el W
Pote
ncia
pro
med
io a
gen
erar
/día
Hor
as p
rom
edio
de
radi
ació
n so
lar e
fect
iva
Núm
ero
de P
anel
es S
olar
es e
stim
ado
Met
ros
cuad
rado
s ef
ecti
vos
de p
anel
es s
olar
es
Gru
pos
de 2
x13
pane
les
(inc
luye
ndo
1x13
)
Páne
les
esti
mad
os d
e di
seño
Pote
ncia
tota
l por
fila
(w) d
e 7
pane
les
TOTA
L
TIPO
DE
CON
SUM
O
RES
UM
EN C
ON
SUM
O D
E EN
ERG
ÍA
Pote
ncia
pro
med
io/d
ía (W
h/dí
a)
TOP
OLO
GIA
Fila
s en
ser
ie d
e 6
pane
les
DIM
ENSI
ON
AD
O P
AN
ELES
SO
LAR
ES Y
ÁR
EA
DIS
EÑO
GEN
ERA
DO
R SO
LAR
“D
ISE
ÑO
DE
UN
GE
NE
RA
DO
R D
E E
NE
RG
ÍA F
OT
OV
OL
TA
ICA
PA
RA
EL
CE
NT
RO
UN
IVE
RS
ITA
RIO
DE
NO
R-O
CC
IDE
NT
E (
CU
NO
RO
C),
U
NIV
ER
SID
AD
DE
SA
N C
AR
LO
S D
E G
UA
TE
MA
LA
, B
AJO
NO
RM
AT
IVA
DE
GE
NE
RA
CIÓ
N D
IST
RIB
UID
A”.
15°1
8'33
" N
( 15
.309
1)
-90°
31'5
6" O
(-91
.532
2)
1877
Ald
ea C
hiva
cavé
, zon
a 12
, Hue
huet
enan
go.
Ing.
Ott
o Sa
lgue
ro (D
irec
tor C
UN
ORO
C)
UBI
CACI
ÓN
PRO
YECT
O:
PER
IOD
O
Irra
dian
cia
prom
edio
(Kw
h/m
2/d)
Tem
pera
tura
air
e pr
omed
io °C
.
Tem
pera
tura
tier
ra p
rom
edio
°C.
Vel
ocid
ad d
el v
ient
o pr
omed
io (m
/s)
Hum
edad
Rel
ativ
a Pr
omed
io %
DA
TOS
DE
IRRA
DIA
NCI
A Y
MET
EREO
LÓG
ICO
S
TOPO
LOG
ÍA E
SQU
EMÁ
TICA
ÁRE
A M
INIM
A R
EQU
ERID
A (m
2) (x
60%
áre
a pa
nele
s)
ÁRE
A D
ISPO
NIB
LE A
SIG
NA
DA
EN
CU
NO
ROC
(m2)
Pote
ncia
tota
l x in
vers
or x
día
(wh/
día)
Pote
ncia
tota
l x in
vers
or x
mes
(wh/
mes
)
Tableroo Caja de Conexiones
TableroPRINCIPALCUNOROC
Supr
esor
AC
138
139
ANEXOS
Anexo 1. Atmospheric
Fuente: Atmospheric. Consulta: 20 de marzo de 2015.
Lati
tud
Long
itud
a.s.
n.m
.
Dir
ecci
ón:
Mo
nth
Air
te
mp
era
ture
Re
lati
ve
hu
mid
ity
Dai
ly s
ola
r
rad
iati
on
-
ho
rizo
nta
l
Atm
osp
he
ric
pre
ssu
re
Win
d
spe
ed
Ear
th
tem
pe
ratu
re
°C%
kW
h/m
2/d
kPa
m/s
°C
Janu
ary
18,3
73,8
0%5
,01
90,7
3,8
19,1
Feb
ruar
y19
,867
,30%
5,7
190
,73,
421
,1
Mar
ch21
,462
,00%
6,2
590
,63,
223
,4
Apr
il22
,663
,50%
6,3
390
,52,
624
,9
May
22,6
72,3
0%5
,71
90,5
2,3
24,4
June
2280
,20%
5,2
490
,52,
423
,1
July
21,5
78,6
0%5
,59
90,6
2,9
22,4
Aug
ust
21,7
78,1
0%5
,49
90,6
2,7
22,6
Sep
tem
ber
21,5
80,7
0%4
,92
90,5
2,4
22,3
Oct
ober
20,6
80,4
0%4
,74
90,5
2,9
21,3
Nov
embe
r19
,578
,00%
4,7
290
,63,
320
,1
Dec
embe
r18
,477
,00%
4,7
390
,73,
819
An
nu
al20
,874
,30%
5,3
790
,63
22
Ald
ea C
hiva
cavé
, zon
a 12
, Hue
huet
enan
go.
NA
SA S
urfa
ce m
eteo
rolo
gy a
nd S
olar
Ene
rgy:
RET
Scre
en D
ata
La
titu
de
15
.30
9 /
Lo
ng
itu
de
-91
.53
2 w
as
cho
sen
.
15°1
8'33
" N
( 15
.309
1)
-90°
31'5
6" O
(-91
.532
2)
1877
140
Anexo 2. Newsunpower
141
Continuacion del anexo 2.
Fuente: Newsunpower. Consulta: 20 de marzo de 2015.
142
Anexo 3. Cunoroc
143
Continuación del anexo 3.
144
Continuación del anexo 3.
145
Continuación del anexo 3.
146
Continuación del anexo 3.
147
Continuación del anexo 3.
148
Continuación del anexo 3.
149
Continuación del anexo 3.
150
Continuación del anexo 3.
Fuente: Solar site survery. Consulta 20 de marzo de 2015.
151
Anexo 4. Escuela Mecánica Eléctrica.
Fuente: Escuela de Mecánica Eléctrica.
152